способ дуговой наплавки в среде защитных газов

Формула изобретения

СПОСОБ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ, при котором процесс ведут в несколько проходов, а предварительно перед наплавкой проводят обработку наплавляемой поверхности с использованием окислительной среды, отличающийся тем, что в процессе предварительной обработки образуют равномерно окисленный слой на наплавляемой поверхности, а наплавку всех слоев производят с одновременной подачей кислорода в зону, прилегающую к хвостовой части ванны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к дуговой наплавке плавящимся и неплавящимся электродами в защитных газах, а также к плазменнодуговой наплавке и может быть использовано в различных отраслях промышленности при упрочняющей и восстановительной наплавке.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ нанесения покрытий на металлические изделия, включающий послойную наплавку коррозионно-стойкой стали, причем перед наплавкой осуществляют обработку поверхности плазменной дугой на глубину не менее 4 глубин проплавления при наплавке коррозионностойкой стали. При этом обработку поверхности осуществляют с использованием окислительной среды аргон с кислородом. Применение данного способа позволяет предотвратить водородное охрупчивание металла и снизить вероятность появления трещин.

Существенным недостатком данного способа является то, что при этом способе возможно нарушение процесса наплавки, вследствие блуждания дуги, так как нет всестороннего экранирования дуги оксидной пленкой, поскольку она не образуется. Кроме того, в рассматриваемом способе газокислородная смесь подается непосредственно в сварочную ванну, что приводит к таким нежелательным последствиям, как изменение состава основного металла (во многих случаях это нежелательно). Изменение состава наплавленного металла, особенно содержащего элементы, обладающие высоким сродством к кислороду (бор, кремний, титан и т.д.), приводит, как правило, к существенному ухудшению свойств наплавленного металла.

Таким образом, использование окислительной среды в рассматриваемом способе не способствует повышению стабильности процесса, стабильности проплавления и формирования шва и возможности наплавки в несколько проходов и слоев.

Задача изобретения создание такого способа дуговой наплавки в среде защитных газов, который позволил бы уменьшить блуждание дуги путем ее всестороннего экранирования и стабилизировать проплавляющую способность дуги при высоких технологических показателях (высокого качества наплавленного слоя и высокой производительности наплавки).

Сущность изобретения заключается в том, что в способе дуговой наплавки в среде защитных газов, при котором процесс ведут в несколько проходов, а предварительно перед наплавкой проводят обработку наплавляемой поверхности с использованием окислительной среды, с целью стабилизации горения дуги, проплавляющей способности и формирования шва обеспечивают равномерное окисление наплавляемой поверхности перед выполнением первого прохода, а наплавку последующих проходов и слоев проводят с подачей кислорода в зону, прилегающую к хвостовой части сварочной ванны.

Повышение качества наплавленных слоев достигается путем уменьшения "блуждания" дуги созданием всестороннего экранирования ее оксидной пленкой и путем повышения качества управления процессом наплавки.

Всестороннее экранирование достигается, во-первых, путем предварительного равномерного окисления поверхности металла перед наплавкой. Поэтому при многоваликовой наплавке первого слоя с одной стороны валика находится предварительно и равномерно окисленный металл. Во-вторых, при наплавке путем окисления металла окислительной средой при прохождении предыдущего валика. Впереди дуги находится также предварительно и равномерно окисленный металл, а сзади металл, окисленный только что окислительной средой. Вследствие равномерности окисленной поверхности, по которой двигается дуга, выравниваются контрагирующие свойства всей поверхности и уменьшается "блуждание" дуги.

При прохождении второго и последующих слоев режим и условия наплавки не меняются. С одной стороны валика находится поверхность металла, окисленная на первом слое. С другой стороны поверхность, окисления в данном слое при наплавке предыдущего валика. Впереди дуги находится поверхность, окисленная на предыдущем слое, а сзади металл, окисленный в предыдущий момент времени. "Экранирование" дуги окисленной поверхностью полное, контрагирующие свойства всей окисленной поверхности одинаковые, "блуждание" дуги минимальное.

При снижении "блуждания" дуги при наплавке всех слоев уменьшается порообразование, повышается стабильность провара и формирование как при наложении первого, так и последующего слоя.

Наличие оксидной пленки на поверхности металла заметного отрицательного влияния на механические свойства наплавленного слоя не оказывает.

Поскольку при переходе от слоя к слою режим наплавки не меняется, то упрощается и ускоряется процесс выбора, установки, оптимизации и стабилизации параметров режима, что положительно сказывается на стабильности горения дуги, стабильности провара и форме шва, снижается порообразование, исключается образование раковин, наплавов и др. дефекты.

Повышение производительности наплавки достигается за счет стабилизации проплавляющей способности дуги, повышения стабильности горения дуги, снижения "блуждания" дуги, а также выполнения каждого слоя как рабочего.

Стабилизация проплавляющей способности дуги позволяет увеличить скорость наплавки без ухудшения качества сплавления основного и наплавленного металла. Повышение стабильности горения и снижение "блуждания" дуги в широком диапазоне токов позволяет при увеличенной скорости наплавки увеличить силу тока, подачу наплавленного металла и производительность процесса. При использовании плазменно-дуговой наплавки за счет снижения "блуждания" дуги улучшается усвоение порошков и снижаются его непроизводительные расходы.

Идентичность условий и режимов наплавки всех слоев, стабильность горения и снижение "блуждания" дуги позволяют вести процесс для всех слоев с повышенной производительностью, что также способствует общему повышению производительности наплавки.

Введение в способ дополнительной операции равномерного окисления поверхности металла перед наплавкой позволяет в условиях наплавки выровнять оксидную пленку вокруг дуги на первом слое, использовать эффект всестороннего "экранирования" дуги и снизить "блуждание" дуги на первом слое. При равномерном окислении поверхности металла при наплавке первого слоя стабилизируется проплавляющая способность дуги.

Введение в способ дополнительного окисления металла за хвостовой частью жидкой металлической ванны при нанесении всех последующих слоев позволяет в условиях наплавки выровнять оксидную пленку вокруг дуги на этих слоях и также снизить "блуждание" дуги. Обеспечивается стабилизация проплавляющей способности дуги.

Введение указанных операций позволяет все слои выполнять на форсированном режиме и с высокой производительностью процесса.

На чертеже представлено устройство для осуществления предложенного способа газоэлектрической наплавки в среде защитных газов.

Устройство состоит из горелки, включающей электрод 1, сопло 2 для подачи защитного газа, трубку 3 для подачи окислительной среды, закрепленной на горелке со стороны заднего фронта металлической ванны. На чертеже также обозначено: 4 дуга; 5 присадочный пруток, 6 оксидная пленка на детали; 7 оксидная пленка на наплавленном слое; 8 наплавленный слой; 9 деталь.

Трубка 3 служит для подачи окислительной среды, например, кислорода, подаваемого из баллона через редуктор и ротаметр. Она выполняется из меди. Трубка имеет диаметр 4-5 мм.

Возможны разновидности конструкции устройства. Например, вместо горелки использование плазмотрона. Конец трубки для подачи окислительной среды может иметь сужение для увеличения динамического напора окислительной среды на выходе из трубки.

Окисление металлической поверхности детали может осуществляться перед наплавкой как на самой наплавочной установке, так и за ее пределами. В первом случае окисление может производиться газопламенным или индукционным нагревом в окислительной атмосфере. Окисление удобно совмещать с операцией предварительного подогрева.

Перед наплавкой металлическую поверхность детали равномерно окисляют с толщиной пленки 6, равной 40-60 мкм. Устанавливаются параметры режима наплавки. По истечении времени продува 5-10 с, необходимого для формирования стабильных потоков защитного газа из сопла 2 горелки и окислительной среды из трубки 3, зажигают дугу 4 и начинают перемещать электрод 1 со скоростью наплавки V_н, образуя при этом на поверхности детали 9 оксидную пленку 7 с стабильными размерами. При многослойной наплавке последующие слои выполняются на том же режиме.

При наплавке тел вращения по винтовой линии перемещение горелки относительно детали осуществляется вращением детали и смещением горелки на шаг наплавки. При построчной наплавке плоских поверхностей деталей осуществляется линейное перемещение горелки относительно неподвижной детали, либо наоборот детали относительно неподвижной горелки, и переход в конце валика на следующую строчку.

Для подтверждения возможности осуществления способа проведено ряд экспериментов.

При дуговой наплавке неплавящимся электродом в защитных газах на постоянном токе прямой полярности сталей перлитного класса: сила тока наплавки 150-180 А; напряжение 12-14 В; скорость наплавки 20-22 м/ч; расход аргона 9-11 л/мин; расход кислорода 1,9-2,1 л/мин; диаметр вольфрамового электрода 3-4 мм; диаметр присадочной проволоки 1,2-1,6 мм; длина дугового промежутка 1,0-1,2 мм.

При плазменно-дуговой наплавке порошковой проволокой на постоянном токе обратной полярности сталей перлитного класса: сила тока наплавки 200-220 А; напряжение 55-58 В; скорость наплавки 25-30 м/ч; скорость подачи проволоки 190-230 м/ч; расход аргона (Q_Arho=11-13 л/мин) + (Q_Ar3=23-26 л/мин)=34-39 л/мин; расход кислорода 7-7,5 л/мин; диаметр порошковой проволоки 3 мм.

При плазменно-дуговой порошковой наплавке на постоянном токе прямой полярности сталей перлитного класса: сила тока наплавки 280-320 А; напряжение 40-45 В; скорость наплавки 12-14 м/ч; скорость подачи порошка 4-5 кг/ч; расход аргона (Q_Arho= 8-10 л/мин)+(Q_Ar3=26-29 л/мин)=34-39 л/мин; расход кислорода 5-6 л/мин.

Окислительная среда, поступающая в зону за хвостовой частью металлической ванны, оттесняет защитный газ от высоко нагретого металла за хвостовой частью ванны, производя окисление поверхности. Расход кислорода окислительной среды должен составлять около 20% от общего расхода защитного газа при допустимом диапазоне от 15 до 30% чем достигается с одной стороны активное окисление поверхности металла, а с другой стороны обеспечивается достаточно полная защита жидкой металлической ванны.

При предварительном окислении поверхности металла требуется получить пленку примерно такой же толщины, что и при окислении в зоне за хвостовой частью металлической ванны. При одинаковой продолжительности окисления поверхности металла толщина образующейся пленки в значительной степени зависит от температуры. Толщина оксидной пленки при 500, 1000 и 1500^оС для стали примерно соотносится как

1 33 600 (1)

Поэтому, если в зоне за хвостовой частью ванны при 1500^оС металл окисляется 5 с, то газом такого же состава при предварительном окислении и температуре 250^оС требуется выдержка около 5 ч. Для снижения времени, затрачиваемого на операцию предварительного окисления, рекомендуется повышать парциальное давление кислорода окислительной атмосферы. Для этого следует производить окисление в герметичных контейнерах, заполненных кислородом под давлением, которые помещают в нагревательную печь, либо покрывают тепловыми матами.

В среде кислорода при нормальном давлении и температуре 250^оС время предварительного окисления составляет около 1 ч. Если позволяют свойства материала детали, то желательно увеличить и температуру окисления. Это в соответствии с соотношением (1) может многократно сократить время операции. В контейнере или в печи одновременно можно окислять несколько деталей, что повышает производительность операции предварительного окисления.

П р и м е р. Способ наплавки в среде защитных газов с использованием наплавочного порошка марки ПГ-СР4 (ПН-ХН80С4Р4) осуществляется в плазменно-дуговом варианте постоянным током прямой полярности на наплавочной установке "Универсал-2" с использованием источника питания ИПН-150/600. Деталь опорный валок из стали 30ХГСА; диаметр бочки 320 мм; длина бочки 960 мм.

Предварительное окисление поверхности выполняется в однокамерной термической электрической печи. Кислород от баллона через вентиль, редуктор, ротаметр подключается к трубке для подачи защитного газа в печь. При закрытом окне печи средний расход кислорода составляет 10 л/мин. Температура окисления 250^оС. Время окисления 50 мин.

После извлечения из печи валок без охлаждения устанавливается в наплавочную установку и наплавляется с одновременным окислением зоны за хвостовой частью ванны окислительной средой. Режим наплавки: сила тока наплавки 290-300 А; напряжение 50-51 В; скорость наплавки 15 м/ч; скорость подачи порошка 6 кг/ч; расход аргона (Q_Arho= 8-8,5 л/мин)+(Q_Ar3=25-26 л/мин)= 33-=34,5 л/мин; расход кислорода 6-6,5 л/мин. Наплавку вели в три слоя.

После упрочняющей наплавки производили внешний осмотр валка и металлографический анализ наплавленного слоя и зоны сплавления.

При внешнем осмотре и металлографическом анализе дефектов наплавленных слоев не обнаружено. Качество сплавления слоев между собой основным металлом хорошее.

Предлагаемый способ дуговой наплавки в среде защитных газов позволяет повысить стабильность процесса наплавки, формирования шва, качество наплавленного слоя и повысить производительность наплавки.