ЭЛЕКТРОКОНТАК1НАЯ ПРИВАРКА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОЯ

Процесс электроконтактной при­варки. Электроконтактная приварка металлического слоя имеет значи­тельные преимущества по сравнению с традиционными способами наплав­ки (под флюсом, в защитных газах, порошковыми проволоками). Важ­нейшими ее преимуществами являет­ся отсутствие нагрева восстанавли­ваемых деталей, повышение произво­дительности процесса в 2 — 3 раза, снижение расхода металла в сравне­нии с электродуговой наплавкой в 3— 4 раза, возможность использования для приварки материала в виде лен­ты, проволоки и порошка, одновре­менная с приваркой закалка нане­сенного слоя материала. При контак­тной приварке отсутствует выгора­ние легирующих элементов в наплав­ленном слое, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Исследователями установлено, что 70 — 80 % деталей автомобилей, тракторов и других машин выбрако­вывают при износах до 0, 3 мм, а у дви­гателей число деталей с таким значе­нием износа достигает 90 %. Контак­тная приварка позволяет проводить регулируемую по толщине приварку металлического слоя в пределах 0, 1 — 1, 5 мм, что значительно умень­шает припуски на механическую об­работку, Поэтому восстановление де­талей определенной номенклатуры электроконтактной приваркой ме­таллического слоя является одним из лучших вариантов малоотходной тех­нологии.

Сущность процесса восстановле­ния заключается в приварке мощны­ми импульсами тока к изношенной

поверхности детали компактных (лента, проволока) или порошковых материалов. Процесс отличается тем, что в сварочной точке, образую­щейся от действия импульса тока, происходит соединение основного (деталь) и присадочного металлов. Сплошная приварка металлического слоя происходит в результате воздей­ствия сварочных импульсов, образу­ющих сварочные точки, которые пе­рекрывают друг друга вдоль и между рядами. При этом металл ленты рас­плавляется только в тонком поверх­ностном слое в месте ее контакта с восстанавливаемой деталью.

Процесс контактной приварки ленты(рис. 8.1)осуществляется совмест­ным деформированием приваривае­мой ленты иповерхностного слоя ос­новного металла (деталь), нагретых в зоне деформации до пластического состояния короткими 0, 02 — 0, 16 с импульсами тока 4 — 30 кА. Пере­крытие сварочных точек между собой достигается вращением деталей со скоростью, пропорциональной часто­те импульсов тока, и продольной по­дачей цилиндрических электродов.

Электроконтактная приварка лен­ты к цилиндрической поверхности де­тали характеризуется следующими параметрами: импульсами тока (J_св), продолжительностью импульса (t_св), усилием сжатия электродов (Q_сж), частотой вращения шпинделя (п) и по­дачей сварочных электродов.

Чтобы обеспечить требуемый вы­сококачественный уровень восста­новления деталей необходимым усло­вием является образование в свароч­ной точке общих зерен (для однород­ных или близких по химическому со­ставу соединяемых материалов) или новых фаз (для сварки разнородных материалов). Прочностные свойства сварного соединения, содержащего вновь образованные фазы, определя­ются свойствами этих фаз. При опти­мальных параметрах электроконтак­тной приварки прочность соединения основного (деталь) и присадочного (лента) материалов достигает значе­ний, соизмеримых с прочностью одно­го из соединяемых материалов. В этом случае разрушение образцов происходит не по зоне соединения, а по наименее прочному основному или присадочному материалу.

Оборудование для электроконтак­тной приварки. Для восстановления широкой номенклатуры деталей с ис­пользованием в качестве присадоч­ного материала металлической лен­ты, проволоки и порошка серийно вы­пускаются наплавочные головки, ко­торые монтируются на токарный ста­нок или специализированные уста­новки, снабженные унифицирован­ными узлами: вращателем, приводом подач, суппортом со сварочной голо­вкой, прерывателем, источником пи­тания, пневмопиколью и пультом уп­равления.

Среди сварочных головок наиболее широкое распространение получила головка типа ГКН-Р1 (рис. 8.2) для электроконтактной наплавки прово­локи. В комплект поставки головки входит источник питания (трансфор­матор мощностью 75 кВт) и свароч­ный прерыватель типа ПИЩ, обеспе­чивающий регулировку импульсов и пауз в заданном режиме. В качестве базового вращателя используется токарный станок 1К62 или 16К.20.

По конструкции головка представ­ляет собой два кронштейна, которые жестко закреплены на основании. В верхней части кронштейнов приваре­ны опоры, на которые при помощи болтов прикреплены рессоры. На свободных концах рессор жестко за­креплены бронзовые оси, соединен­ные гибкими токоведущими шинами со вторичной обмоткой трансформа­тора. На бронзовых осях через кон­тактные втулки установлены свароч­ные ролики. Присадочная проволока подается в контакт между сварочным роликом и восстанавливаемой повер­хностьюдетали. Требуемое направ­ление подачи проволоки устанавли­вается при помощи направляющего мундштука, закрепленного на план­ке. На двух суппортах закрепляется основание головки, электрически изолированной от них при помощи текстолитовых прокладок.

Наплавочная головка обеспечива­ет качественное восстановление на­ружных цилиндрических гладких поверхностей, а также резьб.

При восстановлении резьбы контактной приваркой присадочную проволоку укладывают во впадины

резьбы и зажимают проволоку и де­таль между сварочными роликами (рис. 8.3). После включений питания, ток, проходя через проволоку и резь­бу, нагревает их в месте контакта до сварочной температуры. После при­ложения усилия к роликовым элект­родам нагретая присадочная прово­лока заполняет впадину между вит­ками резьбы и сваривается с ее боко­выми поверхностями, образуя сплош­ной наплавленный слой. При выборе диаметра проволоки исходят из того, чтобы при нагреве и осадке проволо­ка полностью заполняла впадину между витками и при этом оставался припуск на последующую механиче­скую обработку. Обычно берут про­волоку диаметром, равным шагу резьбы или больше его на 5 — 10 %.

На ремонтных заводах и в авто­транспортных предприятиях (АТП) наиболее часто используют установ­ки для контактной приварки металлического слоя, разработанные в на­учно-производственном объединении " Ремдеталь".

Установка модели ОКС-011-02 " Ремдеталь" предназначена для вос­становления посадочных мест под подшипники деталей типа вал. Изно­шенную поверхность восстанавлива­ют приваркой стальной ленты пере­крывающимися точками при помощи регулируемых импульсов тока (до 14 к А). При этом восстанавливаемая деталь и сварочные ролики охлажда­ют водой, что обеспечивает закалку наносимого слоя металла. При помо­щи данной установки можно вести также приварку металлокерамических твердых сплавов под слоем ме­таллической ленты, материал кото­рой служит при этом связкой. Осо­бенностью конструкции установки является бесступенчатое регулиро­вание частоты вращения и скорости подачи, обеспечиваемое тиристорными электроприводами постоянного тока. При помощи установки можно восстанавливать детали диаметром 20 — 150мм и длиной до 1200 мм. Тол­щина приваренного слоя может регу­лироваться в пределах 0, 3 — 1, 2 мм и определяется толщиной присадочной ленты. Широкий диапазон частоты вращения шпинделя (0, 15— 15 мин^-1) и скорости перемещения сварочной головки (4, 5 — 450 мм/мин) по­зволяет выбирать наиболее опти­мальные режимы наплавки. Произ­водительность установки достигает 100 см²/мин.

Для восстановления рабочих по­верхностей наиболее дорогостоящих деталей двигателей внутреннего сго­рания разработана гамма специали­зированных, высокопроизводитель­ных установок для контактной при­варки компактного и порошкообраз­ного материала.

Установка ОКС-011-1-06 " Ремде­таль" предназначена для восстанов­ления внутренней поверхности гильз цилиндров автомобильных и трак­торных двигателей приваркой ленты или порошка, а также может быть ис­пользована для закалки гильз. Деталь в процессе приварки вращается, а сварочные клещи имеют, продоль­ное перемещение.

Для восстановления опор блоков цилиндров под коренные шейки ко­ленчатых валов служит установка ОКС-ОИ-Ы! " Ремдеталь". Особен­ностью конструкции установки явля­ется использование вращающейся сварочной головки и поворотного сто­ла, имеющего продольную подачу. Это позволяет восстанавливать так­же отверстия (диаметром 80 — 300 мм и глубиной до 350 мм) в других крупногабаритных корпусных дета­лях.

Установка ОКС-ОП-1-08 " Ремдеталь" предназначена для восстанов­ления внутренних поверхностей верх­ней головки шатунов диаметром от 55 — 150 мм, а также стаканов под­шипников и других деталей. Привар­ка слоя осуществляется импульсами тока определенной длительности и силы. Время прохождения сварочно­го тока регулируется прерывателем. Работа на установке производится в полуавтоматическом режиме, произ­водительность достигает 60 см²/мин. Благодаря охлаждению водой нагрев и деформация деталей отсутствуют.

Кроме перечисленных выше разра­ботаны также установки для восста­новления клапанных гнезд головок цилиндров наваркой порошкообраз­ным материалом, для восстановле­ния зубьев шестерен гидронасосов и другие специализированные устрой­ства.

Наплавочные материалы. В каче­стве наплавочных материалов ис­пользуют компактные (ленты, проволоки) и порошкообразные материа­лы. Выбор материала определяет фи­зико-механические свойства покры­тий. Наиболее широкое распростра­нение в качестве материала при вос­становлении автомобильных деталей приваркой нашли стальные ленты.

В процессе восстановления деталей приваркой зона сварки охлажда­ется водой, что способствует образо­ванию в наплавленном слое закалоч­ных структур и предотвращает на­грев и деформацию детали. Твер­дость приваренного слоя зависит от содержания углерода и легирующих элементов в материале ленты. Для восстановления каждой конкретной детали выбирают ленту из такого сплава, который после приварки с од­новременной закалкой- обеспечивал бы твердость наплавленного слоя, от­вечающую твердости, указанной в ра­бочем или ремонтном чертеже на дан­ную деталь. Выбирая ленты с тем или иным содержанием углерода, можно в широких пределах (от 30 до 65 ИКС) изменять твердость приваренного слоя. Твердость приваренного слоя в НКС в зависимости от используемого материала ленты приведена ниже:

Сталь 20........................ 30 — 35

40.................................... 40 — 45

45.................................... 45 — 50

55.................................... 50 — 55

40Х................................. 55—60

65 Г............................... 60 — 65

При электроконтактной приварке проволоки используют проволоки сплошного сечения (Св-08, Св-08ГС, Св-08Г2С, НП-ЗОХГСА и др.) и по­рошковые (ПП-АН-10, ПП-АН-128). Для восстановления резьб применя­ют проволоки из малоуглеродистых сталей.

В качестве материалов для роли­ковых электродов наплавочных уста­новок используют специальные брон­зы, содержащие хром, цирконий и другие элементы.

Для приварки порошковых материа­лов используют порошковые сплавы ПХ20Н80, механические смеси КБХ и ФБХ-6-2 и самофлюсующиеся порошки ПГ-Ю-01, ПГ-СР-2. Однако использо­вание порошкообразных материалов при восстановлении автомобильных де­талей контактной приваркой слоя встречается еще достаточно редко. Это объясняется относительно низкой проч­ностью сцепления (усилие на разрыв 150—300 МПа) нанесенного покрытия с основой и его пористостью.Режимы приварки. По принятой классификации параметры, опреде­ляющие режимы наплавки, разделя­ются на электрические и механиче­ские.

К электрическим параметрам от­носятся сила сварочного тока и дли­тельность сварочного цикла. При не­достаточной силе тока полной сварки ленты и детали в сварной точке не происходит.

Увеличение силы тока и продолжи­тельности сварочного цикла стабили­зирует процесс сварки. При повыше­нии этих параметров до значений, превышающих номинальные, появ­ляются выплески металла, и на по­верхности восстанавливаемой дета­ли образуются поры и трещины.

К механическим параметрам отно­сятся: частота вращения детали, по­дача электродов, усилие сжатия электродов. Подача электродов, час­тота вращения детали и частота им­пульсов — важные параметры, соот­ношение которых следует подбирать

так, чтобы обеспечить 6 — 7 сварных точек на 1 см длины сварного шва. Этот показатель определяют мето­дом подбора частоты импульсов на эталонных образцах при постоянной скорости их вращения. Подача элек­тродов влияет на перекрытие свар­ных точек. Недостаточное перекры­тие ухудшает свариваемость прива­риваемого слоя с материалом детали. Повышенное перекрытие точек уве­личивает зону отпуска, что приводит к уменьшению средней твердости приваренного слоя. Оптимальные режимы контактной приварки ленты приведены в табл. 8.1.

При недостаточном усилии сжатия электродов на поверхности ленты и детали образуются эрозионные раз­рушения, сопровождающиеся силь­ным искрением в зоне контакта. С увеличением усилия сжатия электро­дов до определенной величины про­цесс приварки ленты улучшается. В приведенном в табл. 8.1 диапазоне усилий сжатия на поверхностях дета­лей наблюдается минимальное число пор, глубина вмятин — 0, 08 — 0, 1 мм. Дальнейшее увеличение усилий сжатия электродов приводит к ухуд­шению качества сварки, деформации рабочей части и снижению стойкости электродов. При износе электродов происходит увеличение площади кон­такта электрода с деталью, что при­водит к уменьшению плотности тока и давления электродов, ухудшая тем самым условий формирования свар­ного шва. Высокая плотность тока на контактирующих поверхностях вы­зывает нагрев и деформацию, а так­же способствует налипанию матери­ала ленты на электроды. Поэтому электроды необходимо зачищать от налипшего металла и править про­филь.

При разработке технологического процесса восстановления резьбовых участков валов контактной сваркой следует установить правильное соот­ношение между усилием сжатия Q_сж и силой сварочного тока J_св в зависи­мости от шага резьбы и диаметра де­тали. Оптимальная зависимость между силой сварочного тока и уси­лием сжатия Q_сж =0, 64

Сила сварочного тока должна быть такой, чтобы создать высокую температуру в месте контакта проволоки с деталью, достаточную для сварки ме­талла в твердой фазе, но в то же вре­мя не расплавить витки. Усилие сжа­тия приводит проволоку и деталь в тесное соприкосновение, способствуя разрыву оксидных пленок и слоев ад­сорбированных газов, обеспечивает возможность сварочного процесса и оказывает значительное влияние на качество сварного соединения. Дав­ление в месте контакта проволоки с деталью составляет Р= Q_сж/F = = 0, 8—1, 0 МПа (при плотности тока 300 — 400 А/мм²). При таком соотно­шении сварочного давления и плотно­сти тока продолжительность свароч­ного цикла принимается 0, 08—0, 12 с. С увеличением шага резьбы продол­жительность сварочного цикла увеличивается. Уменьшение сварочного цикла приводит к недостаточному оплавлению проволоки и детали. Каче­ственное восстановление резьбы обеспечивается в том случае, когда последующая точка перекрывает предыдущую неменеечемна25~-30 %.

Чередование включения и выклю­чения тока происходит в виде свароч­ных импульсов и пауз между ними. В этом случае перекрытие сварных то­чек определяется совокупностью трех параметров: скорости сварки, продолжительности сварочного цик­ла t_св и продолжительности паузы t_п. Наилучшие результаты при сварке среднеуглеродистых сталей достига­ются, если соотношение между про­должительностью сварочного цикла и паузы составляет t_св/ t_св + t_п = 0.5. При этом t_п = t_св  т.е. чередование вклю­чения сварочного тока происходит че­рез равные промежутки времени.

Технологические особенности вос­становления деталей контактной приваркой. Технология включает операции подготовки деталей и лен­ты, приварку ленты и механическую обработку приваренного слоя.

Подготовка детали под наварку заключается в тщательной ее очистке и обезжиривании, исправлении цент­ровых поверхностей и последующей механической обработке (шлифовке, точению) восстанавливаемой поверх­ности шейки до диаметра меньше но­минального на 0, 154-0, 3 мм.

Заготовки для восстановления ше­ек валов изготавливают вырубкой из ленты при помощи штампа или наре­зают на ножницах. Перед наваркой ленты очищают от грязи и обезжири­вают. Длина заготовки должна быть равна длине окружности восстанав­ливаемой шейки, при этом зазор в ме­сте стыка более 0, 5 мм не допускает­ся. Ширина заготовки ленты должна на 1 —2 мм быть меньше ширины восстанавливаемой поверхности. Толщина ленты выбирается в зависи­мости от требуемой толщины нава­ренного слоя (учитывают износ вос­станавливаемой шейки, предваритель­ную ее обработку, припуск на последу­ющую механическую обработку).

Ленту приваривают в два приема: предварительно и окончательно. Пе­ред приваркой устанавливают вы­бранные режимы сварки. Затем де­таль закрепляют в патроне, а лента подводится под верхний контактный ролик и прихватывается к восстанав­ливаемой поверхности несколькими сварочными точками. После чего включают вращение детали и подачу электродов и окончательно привари­вают ленту.

Механическая обработка наварен­ных поверхностей осуществляется на любых круглошлифовальных стан­ках типа ЗМ132, ЗМ152 и др.

Рассмотренный способ использу­ется на ремонтных предприятиях для восстановления десятков Наименова­ний деталей, в том числе блоков ци­линдров, гильз цилиндров, валов ко­робок передач, шкивов, крестовин дифференциалов, разжимных кула­ков и пр. Однако отсутствие надежно­го оборудования, дефицитность мате­риала в виде лент сдерживают широ­кое внедрение этого прогрессивного способа восстановления на ремонт­ных предприятиях.

ИНДУКЦИОННАЯ НАПЛАВКА

Физические основы нагрева токам и высокой частоты. К отличительным особенностям индукционного нагре­ва относится бесконтактный способ передачи энергии в нагреваемое из­делие посредством электромагнитно­го поля. В любом электропроводном материале, помещенном в перемен­ное электромагнитное поле, индукти­руются вихревые токи. В сравнении с кондуктивным индукционный (бес­контактный) подвод энергии упроща­ет и расширяет возможности нагрева геометрически сложных поверхно­стей деталей.

Устройством, передающим энер­гию Высокой частоты в наплавляе­мый металл, является индуктор. Он представляет собой виток или спи­раль из нескольких витков медной трубки, при работе охлаждаемых во­дой, по которым протекает ток высо­кой частоты. При этом вокруг витков создается переменное магнитное по­ле. Подготовленные к наплавке дета­ли располагают 'В зоне действия ин­дуктора, где они пронизываются пе­ременным магнитным полем. Пере­менное электромагнитное поле ин­дуктирует электродвижущую (э. д. с.) силу, под действием которой в метал­ле возникают токи, нагревающие на­плавляемую поверхность до задан­ной температуры. Плотность индук­тируемых в каждом элементарном объеме металла токов может изме­няться по различным законам в зави­симости от формы, геометрических размеров нагреваемой детали, удель­ного сопротивления и магнитной про­ницаемости материала и пр.

Мгновенное значение индуктиро­ванной электродвижущей силы в вольтах определяют на основании из­вестного закона электромагнитной индукции, согласно которому э. д. с. равна скорости убывания магнитно­го потока, т. е.

e= -dФ/dτ

где Ф— магнитный поток, Гц; τ — время изменения магнитного потока.

Для случая изменения магнитного потока, пронизывающего витки потокосцепленного контура, близкого к синусоиде, действующее значение

E= 4.44fnФ

где f— частота индуктированного тока, Гц; τ — число витков контура.

Выходящая из непроводящей сре­ды, например воздуха, электромаг­нитная волна внутри металла рас­пространяется перпендикулярно его поверхности и затухает по мере уда­ления от нее.

Поверхностный эффект. Вихревые токи по сечению проводника распре­деляются неравномерно, их плот­ность уменьшается по мере удаления от поверхности к центру. Это связано с затуханием электромагнитной вол­ны, распространяемой внутри метал­ла. Такое явление получило название поверхностного эффекта.

Для количественной оценки повер­хностного эффекта в теории индукци­онного нагрева используют Д — глу­бину проникновения тока в материал. При прочих равных условиях поверх­ностный эффект будет тем сильнее, чем больше размеры проводника и выше частота тока. Глубина проник­новения тока представляет собой расстояние, на котором амплитуды напряженностей электрического и магнитных полей плоских электро­магнитных волн уменьшаются в 2, 718 раз, а фаза волны изменяется на 1 радиан, т. е. на 57°.

Глубина проникновения тока

Δ =5030

где ρ — удельное электрическое сопротивле­ние проводника; μ — относительная магнит­ная проницаемость; f — частота тока.

В практических расчетах часто ис­пользуют эмпирическую формулу для определения глубины проникно­вения тока в материал нагреваемого изделия при определенной темпера­туре:

Δ =k/f

где  k— эмпирический коэффициент (табл. 8.2).

В зависимости от размеров детали и частоты тока при индуктивном нагреве различают " массивные" и " про­зрачные" тела для электромагнитно­го поля. Если диаметр проводника, в котором индуктированы вихревые то­ки, в восемь и более раз больше Д, то такая частота считается высокой или тело " массивным". Если глубина про­никновения тока Д больше, чем диа­метр проводника, то такое тело назы­вают " прозрачным" для электромаг­нитного поля данной частоты. В " мас­сивном" теле в пределах слоя метал­ла толщиной Л выделяется почти вся мощность (86, 5 % энергии, подводи­мой в тело).

Влияние нагрева на электрические свойства материала. К основным электрофизическим свойствам мате­риалов относится магнитная прони­цаемость (μ ) и удельное электриче­ское сопротивление (ρ ). Данные па­раметры оказывают основное влия­ние на глубину проникновения тока и передаваемую в изделие мощность.

В зависимости от относительной магнитной проницаемости нагревае­мые материалы разделяют на пара­магнетики, диамагнетики и ферро­магнетики. У первых двух близка к единице, а у ферромагнетиков она значительно превышает единицу. К ферромагнетикам относятся железо­углеродистые сплавы, никель, ко­бальт. Магнитная проницаемость у ферромагнетиков зависит от напря­женности магнитного поля, температуры и ряда других факторов. Влия­ние температуры нагрева на измене­ние магнитной проницаемости в об­ласти достаточно сильных магнитных полей представлено на рис. 8.4. Скач­кообразное уменьшение магнитной проницаемости при температуре 1053 К связано с потерей магнитных свойств стали. Температура, при ко­торой магнитная проницаемость па­дает до единицы, называется точкой Кюри. Для различных материалов температура магнитных превраще­ний различна. Например, для углеро­дистых сталей точка Кюри лежит в интервале температур 1033—1056 К, кобальта — 1413 К и никеля.— 633 К.

При нагреве помимо изменения магнитной проницаемости происхо­дит увеличение электрического со­противления металлов. Известно, что удельное сопротивление.сталей воз­растает монотонно во.всем, интервале температур до точки Кюри, а затем его увеличение замедляется. При температурах нагрева свыше 1237 К удельное сопротивление различных сталей практически одинаково и рав­но 1, 2 — 1, 3 Ом-мм²/м.

В процессе индукционного нагрева в связи с изменением магнитной про­ницаемости и удельного сопротивле­ния при достижении точки Кюри про­исходит изменение глубины проник­новения тока пропорционально Различают глубину проникно­вения тока Δ _x, в холодный и Δ _г горячий металл. Глубина проникновения тока Δ _г, в нагретую выше точки Кюри сталь увеличивается в 8 — 10 раз. Глубина проникновения тока в горячий ме­талл

Значения глубин проникновения тока в холодную сталь (Δ _x) и нагретую выше точки Кюри (Δ _г), а также для других металлов приведены в табл. 8.3.

Эффект близости. Природа эффек­та близости и поверхностного эффек­та одна и та же. Только в данном слу­чае концентрация тока в определен­ных местах поверхности проводника рассматривается как результат сум­марного взаимодействия собственно­го поля и электромагнитных полей всех проводников с током в системе. Картина распределения тока и маг­нитного поля в проводниках прямо­угольного сечения для случая одина­ково и встречно направленных токов показана на рис. 8.5. Из рис. 8.5 видно, что наибольшая плотность тока при одинаковом его направлении наблю­дается на наружных поверхностях проводников, а при встречном направлении тока — на внутренних по­верхностях. Исходя из названия эф­фект близости проявляется только в том случае, если проводники с током сближаются на малые расстояния. Перераспределение плотности тока будет выражено тем сильнее, чем меньше расстояния между проводни­ками и чем выше частота.

Эффект близости позволяет разра­ботать такой индуктор, который мо­жет обеспечить требуемую локаль­ность нагрева заданной поверхности изделия.

Кольцевой эффект. Другой разно­видностью поверхностного эффекта является кольцевой эффект, который заключается в том, что у свернутого в кольцо или спираль проводника наи­большая плотность тока наблюдает­ся на его внутренней поверхности. Кольцевой эффект проявляется тем сильнее, чем больше высота провод­ника по отношению к диаметру коль­ца. Наблюдается ярко выраженная симметрия магнитного поля индукто­ра. Внутри индуктора (рис. 8.6) маг­нитное поле значительно больше, чем снаружи. Кольцевой эффект являет­ся полезным при нагреве у деталей наружной цилиндрической поверхно­сти. Вместе с тем он затрудняет или делает вообще невозможным нагрев до заданной температуры внутрен­них цилиндрических поверхностей. Это связано с резким снижением на­пряженности электромагнитного по­ля у нагреваемой поверхности.

Энергоемкость процесса наплавки. Энергоемкость характеризуется за­тратами энергии на единицу массы наплавленного металла. Эти затраты складываются из количества энергии,

Таблица 8.3. Глубина проникновения тока в холодный и нагретый/материал

которое необходимо на осущест­вление процессов наплавки W_н, из тепловых потерь и потерь энергии на преобразование и передачу энер­гии W_э: W = W_н + W_т + W_э.

Затраты энергии на наплавку W_н, не зависящие ни от вида электроносителей, ни от продолжительности про­цесса, составляют суммарные «утра­ты энергии на нагрев основного металла W₀, наплавляемого сплава W_c и флюсов W_ф до температуры плавле­ния, на расплавление присадочного сплава W_ПС и флюса W_пф на сопутст­вующие реакции и фазовые превра­щения W_рф; W_н = W₀ +. W_с + W_ф +W_пф+W_пс+W_рф

Средняя энергоемкость (кВт- ч/кг) некоторых видов производственных процессов представлена ниже:

Газопламенная, ацетиленокислородная

наплавка сплавов типа

сормайт................................................... 12—15

Ручная электродуговая наплавка

при токе:

постоянном......................................... 1, 0

переменном однофазном.................... 4, 0

переменном трехфазном.................... 2, 8

Индукционный нагрев стали до

температуры:

800°С................................................. 0, 4

1100°С............................................... 0, 5

Индукционный нагрев под наплавку

 твердыми сплавами до темпера-

туры 1300°С.............................. 0, 6—0, 7

Высокочастотные установки. Усло­вия для индукционного нагрева со­стоят обычно из одинаковых элементов, которые связаны между собой общей электрической схемой. В нее входят:

генератор высокой частоты (ма­шинный, ламповый, ионный, тиристорный);

индуктор тока высокой частоты (ТВЧ) одновитковый или многовитковый;

конденсаторная батарея, компен­сирующая низкий коэффициент мощ­ности индуктора;

закалочный трансформатор;

контактор для подключения и от­ключения тока нагрузки;

линии передач тока высокой часто­ты от источника питания до индукто­ра;

система водяного охлаждения: высокочастотные измерительные приборы (амперметр, вольтметр, ватт­метр, фазометр); измерительные трансформаторы напряжения и тока.

В зависимости от функционально­го назначения установки дополни­тельно укомплектовывают плавиль­ной печью, станком для закалки, куз­нечным нагревателем, аппаратурой для поддержания и контроля режима нагрева. В ряде случаев для нагрева используют промышленную частоту, и тогда генератор отсутствует. При питании однофазной нагрузкой вме­сто генератора устанавливают уст­ройство, преобразующее трехфазную систему в.однофазную, которое обеспечивает симметричную нагрузку се­ти. Нагреваемая деталь помещается внутри индикатора или около него. Переменное магнитное поле индукто­ра вызывает появление индуктиро­ванного тока в детали, в результате чего происходит ее нагрев.

Все схемы установок подчинены условиям согласования (настройки) параметров нагрузки с параметрами источника тока высокой частоты (ге­нераторы) с тем, чтобы обеспечить передачу индикатором необходимой мощности в нагреваемую деталь в пределах допустимых превышений номинальных данных генератора в процессе всего цикла нагрева.

У нас в стране наиболее широкое распространение получили машинные преобразователи, статические преобразователи частоты и лампо­вые генераторы.

Высокочастотный машинный пре­образователь. Преобразователь со­стоит из генератора средней частоты и трехфазного приводного двигателя. Машинные преобразователи явля­ются главным источником питания электротермических установок. Об­щая мощность установок с машинны­ми генераторами исчисляется не­сколькими миллионами кВт. Основ­ные достоинства машинных преобра­зователей:

простота конструкции, высокая на­дежность, легкость обслуживания;

возможность включения несколь­ких преобразователей на параллель­ную работу;

сравнительно низкая стоимость.

К недостаткам машинных преоб­разователей относится снижение их к. п. д. при неполной загрузке. Кроме того, такие преобразователи создают повышенный шум, имеют достаточно сложную систему водоохлаждения и смазки.

Статические преобразователи час­тоты. Преобразователи используют в качестве источников питания элект­ротермических установок токами по­вышенной частоты в диапазоне 200 — 1000 Гц. Преобразование частоты в таких устройствах осуществляется в результате коммутации постоянного тока управляемыми вентилями. Схемы преобразования частоты могут быть осуществлены как на полностью управляемых вентилях, так и на вен­тилях, имеющих полууправляемую характеристику (тиратроны, экситроны, тиристоры и т. п.). Полная схе­ма преобразователя частоты включа­ет источник постоянного тока (выпря­митель), звено преобразования (ин­вертор), цепи контроля и управления.

Положительными характеристи­ками статистических преобразовате­лей (табл. 8.4) частоты являются, в сравнении с электромашинными, вы­сокий электрический к. п. д., обуслов­ленный незначительным падением напряжения на вентилях, отсутствие больших вращающихся масс и малые статистические весовые нагрузки.

Ламповые генераторы. Генерато­ры наиболее часто используют в каче­стве источника нагрева при индукци­онной наплавке. Такие генераторы преобразуют ток частотой 50 Гц в вы­сокочастотный (до сотен мегагерц). Преобразование осуществляется дважды: вначале ток промышленной частоты выпрямляется, а затем по­стоянный ток преобразуется в пере­менный высокой частоты. В простей­ших случаях генераторы состоят из трех основных частей — выпрямите­ля с анодным трансформатором, ге­нераторной лампы и колебательного контура.

Ламповые генераторы мощностью более 10 кВт (табл. 8.5) выполнены по двухконтурной схеме, что позволяет лучше стабилизировать частоту и осуществлять настройку оптималь­ного режима при изменяющихся па­раметрах нагрузки в процессе нагре­ва. Однако это приводит к увеличе­нию габаритных размеров генерато­ров и дополнительных потерь энергии в контурах.

Таблица 8.4. Технические характеристики статических преобразователей частоты

Все двери блоков генераторов, в ко­торых напряжение свыше 1000 В, имеют электромеханическую блоки­ровку. При правильной очередности открывания дверей прежде всего сни­мается питающее напряжение. Узлы установки экранизированы алюми­ниевыми листами. Этим достигается снижение радиопомех и защита об­служивающего персонала от излуче­ния.

Индукторы для нагрева. Передача энергии от источника питания токов высокой частоты в нагреваемое изде­лие при наплавке осуществляется при помощи многовитковой или одновитковой катушки, называемой ин­дуктором. Форма и размеры индукто­ра зависят от способа нагрева, разме­ров и конструкции нагреваемой поверхности, подводимой мощности, ча­стоты тока, объемов производства, степени механизации и т. д. Индуктор является основным элементом любой высокочастотной нагревательной ус­тановки. В большинстве случаев до­стоинства и недостатки технологиче­ских устройств, в которых использу­ется индукционный нагрев, могут быть поставлены в прямую связь с особенностями конструкции индук­тора. Индукционную наплавку наи­более эффективно используют в усло­виях крупносерийного и массового производства. Современное поточное массовое производство, как правило, высокоавтоматизированное. Поэто­му при разработке конструкции не­обходимо анализировать также схе­мы автоматизации загрузки детали в индуктор и возможности передачи ее на последующие операции механиче­ской обработки.

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться: