Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Наплавка с подачей в плазменную дугу присадочного материала в виде проволоки



При наплавке поверхностей крупногабаритных изделий (гребных валов кораблей, плунжеров, штампов и т.д.) применяют подачу присадочного материала в зону обработки одного или двух проволочных электродов.

Возможны три вариантаподачи одной электродной проволоки: с токоведущейприсадочной проволокой (рис. 10.9, а); с нейтральной присадочной проволокой (рис. 10.9, б) и с изолированным изделием (рис. 10.9, в).

Рис. 10.9. Схемы плазменной наплавки с токоведущейприсадочной проволокой (а), с нейтральной присадочной проволокой (б), с изолированным изделием (в): 1 - изделие; 2 - присадочнаяэлектродная проволока; 3 - плазмотрон; 4 - механизм подачи проволоки; 5 - источник питания.

При наплавке с токоведущейприсадочной проволокой ее плавление осуществляется как теплом плазменной дуги, так и за счет ответвления части тока плазменной дуги в проволоку.Меняя величины балластных сопротивлений R1 и R2, можно регулировать тепло-вложение в проволоку и в основной металл, что позволяет менять скорость плавления проволоки и основного металла.Обычно скорость плавления проволоки устанавливают, исходя из требуемой высоты и ширины наплавленного валика, а скорость плавления металла такой, чтобы обеспечивалось надежное сплавление наплавляемого металла с основным.

Наплавка с нейтральной присадочной проволокой применяется при необходимости получения тонкого (до 1 мм) слоя на поверхность изделия.

Наплавка с электрически нейтральным изделием используется при необходимости сведения к минимуму термических напряжений и деформаций в изделии, а также для предотвращения структурных изменений в нем (например, при наплавке чугунных изделий).

Подплавлениеповерхности детали(необходимоедля прочного соединения наплавленного металла с основным) достигается за счет тепла факела плазменной дуги.

Для повышения производительности плазменной наплавки и расширения номенклатуры наплавленного металла используют наплавку двумя проволочными электродами.Проволоки могут иметь различный химический состав, что позволяет наплавлять стандартными проволоками металл, который отличается по химическому составу от известных и имеет необходимые служебные характеристики.

При подаче одной проволоки в зону наплавки производительность можно увеличить, применив сочетание плазменной и электродуговой наплавки.

Электрошлаковая наплавка

Электрошлаковая наплавка (ЭШН) основана на использовании тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через расплавленный шлак.Это тепло поддерживает флюс в жидком состоянии, а также расплавляет электродную проволоку и поверхность наплавки.

Схема процесса электрошлаковой наплавки приведена на рис. 10.10.

Рис. 10.10. Схема электрошлаковой наплавки: 1 - обрабатываемая деталь; 2 - электрод; 3 - шлаковая ванна; 4 - капли расплавленного металла; 5 - ванна жидкого металла; 6 - формирующее устройство; 7 - наплавленный металл.

В пространстве, образованном наплавляемой поверхностью детали 1 и формирующим устройством 6, образуется ванна расплавленного флюса 3, в которую непрерывно подается металлический электрод2. Ток, проходя между электродом и обрабатываемым изделием1, нагревает расплавленный шлак и поддерживает высокую температуру и электропроводность.

В процессе расплавления флюса наплавляемые кромки нагреваются до температуры 800...1200 °С и очищаются шлаком от окислов и окалины. Ниже шлаковой ванны образовывается металлическая ванна 5, которая после затвердевания, дает слой наплавленного металла 7, прочно сплавленный с основным металлом детали1. Формирующее устройство 6 медленно перемещается вверх вдоль обрабатываемой поверхности детали 1удерживая металлическую5 и шлаковую3 ванны, одновременно охлаждая поверхность ванны 5. Как и при электрошлаковой сварке процесс начинают и заканчивают на графитовых, медных или стальных подкладках.Для обеспечения устойчивости электрошлакового процесса необходимо, чтобы глубина шлаковой ванны была не менее 30 мм. При уменьшении глубины ванны до 10 – 15 мм электрошлаковый процесс переходит в дуговой либо неустойчивый.

В качестве электродов применяют: проволоку (обычную или порошковую), прокатанные или литые стержни, пластины, трубы и прокат различного профиля

Основными технологическими режимами ЭШН являются: сила сварочного тока (Iсв), напряжение на сварочной ванне (Uш), скорость подачи электродов (Vэ), скорость наплавки (Vн), масса наплавленного металлаэлектродов (mэ), расход электродов (Gэ) и флюса (Gф).

(10.2)

где: h –толщина наплавленного слоя, мм; nэ– количество электродов; ВН– ширина наплавляемого слоя, мм; α н– коэффициент наплавки, г/(А· ч); α н=25–30 г/(А· ч); kф.ш– коэффициент формы шва, kф.ш = 1, 05–1, 10; ρ – удельный вес металла электрода; Fэ–площадь электрода, см3; φ – потери металла на угар и разбрызгивание, φ =0, 02–0, 03; L - длина шва, м.

В отличие от электродуговой наплавки при ЭШН: отсутствуетразбрызгивание; расход флюса на образование шлаковой корки составляет на более 5 % его массы; меньше в 1, 5 – 2 разарасход электроэнергии; так же меньше примерно в 20 раз расход флюса. Но, более низкие скорости нагрева и охлаждения основного металла шва неблагоприятно сказываются на структуре наплавленного металла и зоны термического влияния; формирование благоприятного направления роста кристаллов в наплавленном металле обусловливает снижение вероятности образования кристаллизационных трещин; меньшая склонность к образованию пор и несплошностей в металле наплавления.

Процесс ЭШН можно осуществлять разными способами, зависящими прежде всего от типов электродов и методов их применения (наплавкаодной или несколькими электродными проволоками без колебаний или с колебаниями; плавким мундштуком...).

ЭШН электродными проволоками позволяет наплавлять плоские поверхности и тела вращения при вертикальном или горизонтальном расположении наплавляемой поверхности.

На рис. 10.11, апоказана схема процесса ЭШН плоской поверхности проволоками в вертикальном положении с помощью трех составных ползунов (вместо ползунов можно использовать подвижный кристаллизатор).

   

 

Рис. 10.11. Схема вертикальной электрошлаковой наплавки проволоками плоской (а) и наружной (б) и внутренней (в) цилиндрической поверхности: 1 - электрод (проволока); 2 - наплавляемая деталь; 3 - шлаковая ванна; 4 - составной ползун; 5 - наплавленный металл; 6 - кристаллизатор; 7 - стартовая площадка; 8 - выводная втулка; 9 - медный охлаждаемый стержень; 10 - ванна жидкого металла; D1, D2, D3, D4 - соответственно, перемещение ползуна, колебательные движения электродов, подача (перемещение) электродов, вращение детали и стержня.

Наплавку производят в зазор, образуемый наплавляемой поверхностью детали 2 и ползунами5. Электроды1 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.

Наплавку наружных цилиндрических поверхностей с относительно небольшой длиной образующей (200…300 мм) при вертикальном расположении оси рекомендуют выполняют в стационарных кристаллизаторах. ЭШН цилиндрической детали большой длины производят, используя подвижной кристаллизатор, неподвижную заготовку и электроды, которые вместе с мундштуками совершают колебательные движения по окружности заготовки (рис. 10.11, б).

Схема ЭШН внутренней цилиндрической поверхности показанана рис. 10.11, в.

В процессе наплавки стержень-кристаллизатор9 и деталь 2 синхронно вращаются, а мундштуки, подающие проволоку, поднимаются вверх по мере наплавки (движение D3).

Сила сварочного тока дуги равна:

(10.3)

где: h –толщина наплавленного слоя, мм; n– количество электродов.

Скорость подачи электродной проволоки рассчитывают в зависимости от величины сварочного тока по формуле

(10.4)

Величина напряжения в шлаковой ванне равна:

(10.5)

Скорость наплавки (м/ч) определяют из выражения

где: В– ширина наплавляемого слоя, мм; α н– коэффициент наплавки, г/(А· ч); α н=25–30 г/(А· ч); kф.ш - коэффициент формы шва, равный 1, 05–1, 10; ρ – удельный вес металла электродной проволоки.

Массу наплавленного металла (г) определяют по формуле

(10.7)

где: Fпр–площадь сечения проволоки, см3.

Расход сварочной проволоки (г) равен:

(10.8)

Расход флюса принимают 0, 2–0, 3 кг на 1 м погонной длины шва независимо от толщины металла.

Схема ЭШН электродной лентой (ЭШНэл) при горизонтальном расположении наплавляемой поверхности и свободном формировании наплавляемого металла приведена на рис. 10.12.

Рис. 10.12. Схема наплавки электродной лентой: 1 - кассета; 2 - электродная лента; 3 - механизм подачи ленты; 4 - токоподвод; 5 - бак; 6 - флюс; 7 - обрабатываемая деталь; 8 - расплавленный шлак; 9 - сварочная ванна; 10 - наплавленный металл; 11 - шлаковая корка; стрелками показано подача ленты и направление сварки.

При ЭШНэл флюс6 подают только с одной стороны – перед лентой2, в направлении наплавки. За лентой остается сварочная ванна9, которая защищена слоем расплавленного шлака8, и закристаллизовавшийся наплавленный металл10, покрытый шлаковой коркой11.Основные преимущества ЭШНэл: высокая производительность(до22 кг/ч для ленты размерами 60x0, 5 мм) при малом проплавлении основного металла (5…10 %). С использованием ЭШНэл разработаны технологические процессы изготовления: коррозионностойких биметаллических листов общей толщиной 12…30 мм; слябов для последующей прокатки в биметаллические листы; корпусных деталей и узлов для атомного и химического машиностроения; прокатных валков, ножей горячей резки металла, роликов моталок и т.д.

Способами электрошлаковой стыкошлаковой наплавки (ЭШсН) электродами большого сечения восстанавливают и упрочняют зубья ковшей экскаваторов, шарошки для роторного бурения шахтных стволов... (рис. 10.13).

При ЭШсН изношенный зуб 1, с приваренным встык к его торцу расходуемым электродом 2из высокоизносостойкого материала, подают вертикально в жидкую шлаковую ванну 3глубиной 50 - 60 мм, находящуюся в кристаллизаторе 4, воспроизводящем геометрию рабочей части зуба.

Рис. 10.13. Схема электрошлаковой стыкошлаковой наплавки зубьев ковшейэкскаваторов: 1 - изношенный зуб: 2 - расходуемый электрод; 3 - шлаковая ванна; 4 - кристаллизатор; 5 - ванна жидкого металла; 6 - рабочая часть зуба.

После расплавления расходуемого электрода2 образуется металлическая ванна 5и одновременно формируется рабочая часть зуба6, а после оплавления торца изношенного зуба последний погружают в шлак и сплавляют с новой рабочей частью 6.

Основные достоинства ЭШН:

- высокая производительность процесса (до 150 кг/ч);

- высокая устойчивость процесса в широком диапазоне плотностей тока (от 0, 2 до 300 А/мм2), что позволяет использовать для наплавки как электродную проволоку диаметром менее 2мм, так и электроды большого сечения (более 35000 мм2);

- возможность наплавки за один проход слоев большой толщины;

- возможность применения для сталей и сплавов с повышенной склонностью к образованию трещин;

- возможность придавать наплавленному металлу необходимую форму,

- сочетать наплавку с электрошлаковой сваркой.

Основные недостатки ЭШН: большая погонная энергия процесса, что обусловливает перегрев основного металла в ЗТВ; сложность и уникальность оборудования; невозможность получения слоев малой толщины (кроме способа ЭШН лентами); большая длительность подготовительных операций.

Индукционная наплавка

Индукционная наплавка - нанесение слоя металлана рабочую поверхность детали, разогретую за счет индукционного нагрева токами высокой частоты (ТВЧ).

Индукционный нагрев ТВЧ осуществляется за счет приближения к поверхности обрабатываемой детали индуктора, присоединенного к генератору ТВЧ. В основном металле детали или в компактной присадке индуцируются вторичные переменные токи той же частоты, распределяющиеся в поверхностных слоях металла и нагревающие эти слои до оплавления.Толщина нагретого ТВЧ слоя обратно пропорциональна частоте тока.

Для стальных деталей преимущественный нагрев ТВЧ поверхностных слоев металла сохраняется вплоть до точки Кюри (768°С). После того как металл нагреется выше точки Кюри, глубина проникновения индуктированных токов увеличивается в 10…20 раз (в зависимости от частоты), поэтому распределение температуры в нагреваемом металле становится более равномерным.

Для наплавкиТВЧприменяются два способа:

- присадочный металл предварительно наносится на поверхность изделия в виде шихты (смесь металлических порошков и флюсовых добавок), пасты или прессованных брикетов;

- присадочный металл расплавляется в огнеупорной воронке, расположенной в отдельном индукторе над наплавляемой деталью.

Основные варианты наплавки:

- армирование расплавленного поверхностного слоя основного металла тугоплавкой и труднорастворимой присадкой;

- заливка жидкого присадочного металла на подогретый основной металл;

- расплавление брикетированного или монолитного материала на основном металле;

- наплавка в огнеупорной среде;

- расплавление порошковой шихты, нанесенной на наплавляемую поверхность детали.

При армировании расплавленного поверхностного слоя основного металла в качестве присадки2 применяют зерновойкарбид вольфрама или измельченные металлокерамические сплавы. Присадкувместе с флюсом3 (борная кислота) наносят на наплавляемую поверхность детали4 (рис. 10.14, а).

Рис. 10.14. Схема армирования поверхностного слоя основного металла порошкообразной шихтой: а – начало процесса; б – окончание процесса; 1 – водоохлаждаемый индуктор; 2 – частицы присадки (наплавляемого сплава); 3 – частицы флюса; 4 – деталь; 5 – слой жидкого флюса; 6 – жидкий присадочный сплав.

Затем деталь вводят в индуктор1. При включении питания индуктора возникает переменное электромагнитное поле. В токопроводящем поверхностном слое детали находящемся в электромагнитном поле, индуктируются токи. Происходит нагрев элементарных объемов материала, как поверхностного слоя, так и изделия в целом.При применении порошковой шихты, металлические гранулы изолированы друг от друга частицами флюса, поэтому электропроводность порошкового слоя и выделение в нем энергии малы, нагрев и расплавление порошковой шихты идет, в основном, за счет теплопередачи от нагреваемого ТВЧ основного металла.Поэтому температура плавления порошкообразного сплава, входящего в состав шихты, должна быть ниже температуры плавления основного (наплавляемого) металла. При этом скорость нагрева упрочняемой поверхности должна значительно превышать скорость отвода тепла в тело детали и потерь на излучение.

При нагреве шихты до температуры 600…750 °С происходит расплавление флюса и образование жидкой фазы, которая смачивает поверхность детали и частички твердого сплава. Улучшается теплопередача от основного металла в присадочный, а температурный градиент резко уменьшается. При дальнейшем нагреве увеличивается химическая активность флюса, и он вступает во взаимодействие с окислами, переводя их в жидкий шлак. Одновременно происходит процесс плавления гранул присадочного материала, которые хорошо смачивают раскисленную поверхность основного металла. В результате на наплавляемой поверхности детали образуется слой6 (рис. 10.14, б) жидкого присадочного сплава, наружная по­верхность которого защищена от взаимодействия с кислородом воздуха слоем жидкого шлака5. Армированный поверхностный слой представляет собой литую стальную матрицу с вплавленными в нее зернами тугоплавкого компонента, при этом, тугоплавкие частицы практически не изменяют свою структуру и твердость.

Схема заливки жидкого присадочного металла на подогретый основной металл приведена на рис. 10.15.

Рис. 10.15. Схема индукционной наплавки заливкой жидкого присадочного металла на подогретый основной металл: 1 - обрабатываемая деталь; 2 - индуктор; 3 - огнеупорный состав; 4 - водоохлаждаемое кольцо; 5 - металл.

Наплавляемую поверхность детали 1 покрывают слоем флюса и помещают в водоохлаждаемый индуктор 2, поверхность которого защищена огнеупорным составом 3. После нагрева детали до нужной температуры напряжение отключают и снизу к индуктору подводят медное водоохлаждаемое кольцо 4. В образовавшуюся своеобразную форму из ковша заливают порции металла 5, заранее расплавленного в индукционной печи или в другом плавильном агрегате. Метод широко используют для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания: опорных катков тракторов, пальцев ковшовых цепей экскаваторов...

Расплавление брикетированного или монолитного материала на основном металле рассмотрим на примере наплавки рабочей поверхности выпускных клапанов двигателя внутреннего сгорания (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Схема индукционной наплавки рабочей поверхности выпускных клапанов: 1 - клапан; 2 - кольцевой индуктор; 3 - присадочный материал; 4 - спрейер; 5 - подача защитного газа.

В качестве присадочного материала используется литое кольцо 3 из жаростойкого сплава, которое укладывают в выточку на опорной поверхности клапана 1. Нагрев и плавление сплава производят в кольцевом индукторе 2, охватывающем наплавляемый участок. Через индуктор подается защитный газ 5. Температура нагрева на 50... 100 °С превышает температуру плавления сплава. Вконце процесса поверхность клапана, противоположная наплавляемой, обрызгивается водой из спрейера4, что обеспечивает направленную кристаллизацию сплава и его повышенные эксплуатационные свойства.

Наплавка в огнеупорной среде позволяет восстанавливать плоские, цилиндрические, конические и прочие рабочие поверхности деталей. Это обеспечивается в результате принудительного формирования расплава на упрочняемой (восстанавливаемой) поверхности специальной огнеупорной оболочкой.

Рассмотрим процесс восстановления шлицевого вала (рис. 10.17).

На наплавляемую поверхность вала 4 наносят слой присадочного металла2 требуемой формы и размеров (рис. 10.17, а). Присадочный металл наносят любыми известными методами — установкой монолитных или брикетированных втулок, заливкой жидкого металла, расплавлением мерных заготовок и пр. Огне­упорную оболочку5 наносят на наружную поверхность присадочного металла и частично на вал (рис. 10.17, б).

 

Рис. 10.17. Схема восстановления шлицевого вала: а – вал после нанесения присадочного материала; б – вал после нанесения огнеупорной оболочки; в – расплавление основного и присадочного материала через оболочку; г – вал после наплавки; 1 – основной материал; 2 – присадочный сплав (наплавляемый материал); 3 – выкрашенный шлиц; 4 - вал; 5 - огнеупорная оболочка; 6 - индуктор; 7 - граница между основным и наплавленным металлами; 8 - восстановленный шлиц.

В качестве материала для огнеупорной оболочки используют смесь, состоящую из мелкозернистого (размер зерен обычно менее 0, 2 мм) наполнителя (кварцевый песок, магнезит и др.) и связующего компонента — термореактивной смолы.

Песчано-смоляные смеси быстро твердеют при тепловой обработке, после которой оболочка приобретает прочность и хорошую газопроницаемость. Наиболее часто в качестве связующего материала используют порошкообразную смесь фенолоформальдегидной смолы с уротропином, который вводится для ускорения процессов затвердения.

Подготовленный таким образом вал помещают в индуктор6 токов ТВЧ (рис. 10.17, в).Производится нагрев и плавление присадочного2 и частично или полностью основного металла1 в объеме, замкнутом оболочкой. За счет электромагнитного перемешивания металла происходит интенсивное усреднение состава присадочного и основного материалов внутри огнеупорной оболочки. При частичном расплавлении основного металла граница сплавления7 образуется в месте контакта жидкой и твердой фаз. При полном переводе основного металла в жидкую фазу граница сплавления отсутствует. Благодаря тому что нагрев, плавление и кристаллизация металла происходят внутри огнеупорной оболочки (без доступа атмосферного кислорода), качество наплавленных деталей высокое. После остывания с наплавленной детали легко удаляется огнеупорная оболочка. Вал направляют на последующую механическую обработку.


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2019-06-19; Просмотров: 364; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.042 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь