CC BY
21
электрофизические и электрохимические методы обработки
УДК 621.791.754.264
новые возможности ремонтов деталей тяжелой техники импульсно-дуговой сваркой и наплавкой вне ремзаводов
в. м. мозок, в. А. Лебедев
Ключевые слова: промышленное оборудование, ремонт, наплавка, наплавочная проволока, режимы, импульсная подача, обработка, эффект.
При эксплуатации тяжелого оборудования (экскаваторов, дробилок, грунтовых насосов, подъемников с главным двигателем мощностью более 500-700 кВА и т. п.) у потребителей таких агрегатов нет технической возможности самостоятельно изготавливать крупногабаритные запасные части. Например, комплект быстро изнашиваемых деталей земснаряда «Новая Сибирь» (главный двигатель — судовой дизель мощностью 15 000 кВт) (Нефтеюганск, Тюменская обл.), рассчитанный на срок службы около трех месяцев, стоил 490 тыс. долл.
Согласно ГОСТ 26101-84, порошковые проволоки для износостойкой наплавки могут обеспечить повышение ресурса быстро изнашиваемых деталей в несколько раз (обычно в 4-12 раз) благодаря обоснованному выбору и использованию соответствующей технологии, но, как правило, требуют нижнего расположения наплавляемой поверхности, рекомендуется использовать токи в диапазоне не менее 300-340 А для порошковых электродных проволок диаметрами 2,6-3,2 мм, постоянный ток обратной полярности. Применяются источники сварочного тока с жесткой внешней характеристикой типа ВДУ-506, ВС-632 (масса 400-600 кг) и подобные им, при этом потребление из сети 3~380 В не менее 28-40 кВА. Все это предполагает создание в обязательном порядке внутрицеховых условий для работы по наплавке и использование громоздкого вспомогательного оборудования — манипуляторов грузоподъемностью 3-15 т, в ряде случаев — 50 т. Подобные манипуляторы являются уникальными изделиями, стоимость одного такого аппарата варьирует от десятков тысяч до миллионов долларов. Их монтировали непосредственно на производственных площадках из-за того, что невозможно было осуществить внешнюю транспортировку упрочняемых или ремонтируемых деталей.
Мы предложили новое техническое решение, прошедшее широкую технологическую проверку, а именно решение с механическим модулятором сварочного тока на основе регулируемого механизма импульсной подачи электродной проволоки нового типа [1-3]. Сам подающий механизм состоит из регулируемого электропривода постоянного тока (системы регулирования тиристорного или транзисторного типа), регулируемого квазиволнового редуктора-модулятора тока (скорости подачи электродной проволоки), подающего и прижимного роликов. На рис. 1 представлен в сборе состав элементов для ранцевого полуавтомата с электродной проволокой сплошного сечения диаметром до 1,2 мм (Св-08Г2С, Св-10Г2, Св-08Х19Н10Б и др.), со стандартной катушкой (еврокатушкой) на 5 кг проволоки, электродвигатель постоянного тока типа ДПР-72, источник сварочного тока РСИ-181 (питание
1 2 3 4 5
Рис. 1. Механизм импульсной подачи на основе квазиволнового преобразователя с трактами перемещения электродной проволоки:
1 — подводящий гибкий направляющий канал; 2 — прижимной узел; 3 — механизм с квазиволновым преобразователем; 4 — приводной электродвигатель типа ДПР-72; 5 — укороченный шланговый держатель
РСИ-181 от сети — 1~220 В, до 6 кВА, масса источника — 26,4 кг).
Технология наплавки с импульсной подачей электродной проволоки весьма некритична к техническим и технологическим свойствам источников сварочного тока. При использовании электродной проволоки диаметром 1,2 мм также могут быть задействованы простые нерегулируемые источники и инверторные источники малой мощности, предлагаемые разными производителями. Благодаря механическому модулятору сварочного тока (ММСТ) во многих случаях допустимо применять не только постоянный сварочный ток, но и переменный, речь идет о сварочных трансформаторах для ручной дуговой сварки с использованием электродной проволоки, применяемой только для постоянного тока.
На рис. 2 представлены две полученные экспериментальным путем кривые характеристик плавления порошковой проволоки ПП-АН170М2 (ГОСТ 26104-84) диаметром 3,2 мм для широко распространенного полуавтомата ПДГ-508 (масса подающего узла — 28 кг, масса шкафа управления — 36 кг) и опытного полуавтомата с конструкторским индексом ПШ107ВИ с импульсной подачей электродной проволоки (общая масса — 16 кг). Наплавка производилась в одинаковых условиях, с источником сварочного тока одного типа. Заштрихованная область графика — режимы, недостижимые для обычного полуавтомата из-за нестабильного горения дуги. К числу полученных результатов относится не только указанное расширение режимов работы полуавтомата с импульсной подачей при наплавке, но и другие эффекты:
• сварка и наплавка во всех пространственных положениях, в том числе с использованием электродных проволок, предназначенных для работы только в нижнем положении;
• установленная мощность источников сварочного тока уменьшается в 1,5-2,0 раза, имеет место соответствующее уменьшение стоимости оборудования;
• снижаются требования к качеству, техническим и технологическим возможностям источников сварочного тока;
• сварочные и наплавочные работы можно выполнять в труднодоступных местах, на металле (стали) относительно малой толщины или, например, с покрытием в виде горячей оцинковки (толщина покрытия — 0,3-0,4 мм), которые дают пористость при использовании обычных полуавтоматов типа А-547.
По нашему мнению, технология сварки с ММСТ принципиально пригодна для сварочных работ в невесомости, при подводной свар-
Кш г/А ■ ч
Рис. 2. Характеристики плавления порошковой электродной проволоки в зависимости от коэффициента наплавки Кн и величины тока сварки-наплавки I:
1 — импульсная подача; 2 — постоянная подача
ке (есть положительные результаты предварительных испытаний). Мы назвали устройство механическим модулятором сварочного тока, поскольку принцип его действия основан на известной из теории сварочных процессов зависимости тока дуги 1д от скорости подачи электродной проволоки иэ при механизированных процессах сварки и наплавки: 1д = ^э). Наше устройство обеспечивает импульсную подачу электродной проволоки, количество импульсов — от 17 до 80 за один оборот выходного вала электродвигателя. При этом прижимной ролик находится в постоянном контакте с проволокой, формирование импульсов обеспечивается кинематическим взаимодействием элементов квазиволнового редуктора внутри его корпуса. Благодаря постоянному контакту элементов кинематики все импульсы подачи абсолютно идентичны, следовательно, идентичны импульсы тока дуги, чего не удается добиться с помощью электронных коммутаторов, подверженных влиянию колебаний параметров внешней питающей сети. Независимо от того, в каком пространственном положении находится шов, работа облегчается благодаря еще одному факту: переносу электродного металла способствует не только пинч-эффект от импульса тока, но и инерция капли в импульсе движения. Для усиления последнего эффекта можно регулировать параметры импульса.
Приведем несколько примеров практического использования полуавтоматов с ММСТ:
• реставрация деталей импортных отвальных комплексов на буроугольных разрезах ПО «Александрияуголь» (наплавка ковшей, роторов, звеньев тянущих цепей и направляющих для них);
электрофизические и электрохимические методы обработки
• реставрация направляющих гребешков звеньев гусениц тракторов ДЭТ-250 из стали КДЛВТ путем приварки новых гребешков из листов стали 65С2Т или 60Г2 толщиной 12 мм порошковой проволокой ПП-АН7 с питанием дуги от трансформатора для ручной дуговой сварки типа ТСН-350 с разводкой сварочных проводов по ремонтной площадке длиной 72 м. Ранее эту работу не удавалось выполнить полуавтоматами типа ПДО-517 с постоянной скоростью подачи из-за большого числа пор в соединении даже при применении источника сварочного тока ВС-600. Реставрация проводилась в полевых условиях;
• реставрация зубьев валов поворота экскаватора ЭКГ-5 непосредственно в карьере (без демонтажа механизма разворота), с использованием порошковой проволоки ПП-АН138 диаметром 2,6 мм (ГОСТ 26101-84), наплавкой на вертикальную плоскость и последующими операциями зачистки.
В качестве одного из показательных примеров ремонтных работ рассмотрим реставрацию шестерни редуктора главного подъема шахты. Производительность шахты — до 3000 т угля в сутки. Редуктор, шестерня которого требует ремонта, имеет массу 82,5 т. По технологии изготовления каждый редуктор является уникальным изделием. Шестерни разных экземпляров даже одной серии не взаимозаменяемые, так как сначала растачивается и собирается корпус, по межцентровому расстоянию корригируются размеры венца выходного вала и ритцелей — двух малых шестерен, каждая из которых соединена с электродвигателем мощностью 1500 кВА и частотой вращения вала до 750 об/мин. Нарезка зубьев каждой стороны выходного вала и ритцелей должна быть выполнена с одной установки зу-бофрезерного станка. Таким образом, очевидны сложности замены шестерни при ее разрушении, поскольку фактически необходимо изготовить новый редуктор. Посадочный диаметр бандажа выходного вала — около 4,0 м, длина зуба одного ряда — около 450 мм, общий профиль — шевронный, со срезанной вершиной стыковки зубьев левого и правого ряда. Материал бандажа — литокованная сталь 40Х, его ширина — около 1 м, толщина (вместе с зубьями) — 85 мм.
Следует особо отметить, что в циркуляционной маслосистеме редуктора находилось 640 кг нефтяного авиамасла МС-20. Обеспечение взры-вобезопасности при проведении огневых работ во вскрытом редукторе составило особую проблему, которая была успешно решена.
Как известно, при сварке (наплавке) стали типа 45 или 40Х следует обязательно прово-
дить предварительный и сопутствующий подогрев до 300-450 °С. Это весьма сложно даже в условиях ремонтных цехов (заводских условиях) и тем более в машинном зале подъемных машин, ведь масса шестерни с валом составляет 27 т.
Ремонтные работы были начаты после того, как образовалась разветвленная трещина длиной около 360 мм и были повреждены три зуба. Подъемник был аварийно остановлен. Согласно заключению специалистов, по прочности остаточный ресурс венца (до состояния невозможности восстановления) составлял 12-15 суток.
На рис. 3 показаны поврежденная шестерня и некоторые этапы ее восстановления. Работы по реставрации велись непосредственно на месте, в машинном зале подъемов. Разделка выполнялась армированными скоростными режущими кругами (0 230,0 х 3,0 мм). Для выполнения объема работ по разделке были израсходованы 43 круга (износ практически до половины их исходного диаметра). Во время разделки вели магнитно-порошковый контроль, это позволило дополнительно определить, что внутри бандажа находится литейная раковина с широко разветвленной сеткой трещин и остаточная толщина неповрежденного бандажа составляет всего 10-11 мм.
Для получения переходного слоя использовались электроды с пределом прочности наплавленного металла 98-110 кгс/мм2, относительным удлинением не менее 30 % и ударной вязкостью не менее 80 Дж/см2 при температуре -40 °С; для наращивания банда-
Рис. 3. Реставрация шестерни механизма скипового подъема: а — общий вид машинного зала с механизмом подъемника; б — повреждения шестерни и бандажа; в, г — реставрированный профиль зубьев шестерни сбоку и сверху соответственно
жа и зубьев использована порошковая электродная проволока одной из марок, указанных в ГОСТ 26101-84. Материал разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона. Характеристики: прочность — 85-130 кгс/мм2, ударная вязкость — 125-130 Дж/см2. Наплавка выполнена полуавтоматом с ММСТ, были специально выбраны параметры импульсов подачи.
Приведем некоторые экономические показатели осуществленных работ. Производитель оборудования, которое подлежало восстановлению, запросил год на проведение цикла необходимых работ и около 3 млн долл. С учетом программы испытаний с нормированной перегрузкой (96 ч) специалисты Института электросварки им. Е. О. Патона выполнили их за 10 дней (собственно ремонт до запуска машины в работу потребовал 5 суток. Расходы на комплекс работ (оборудование, материалы, работу) более чем на два порядка меньше, чем та цена, которую запросило предприятие-изготовитель. В данном случае следует учесть, что сокращение периода работ позволило уменьшить потери от простоя шахты.
С момента реставрации прошло более четырех лет, за это время не было нареканий к работе данного подъемника. Выполненная работа подтвердила правильность разработанных в Институте электросварки им. Е. О. Патона
методики и технологии сварки и наплавки высокопрочных закаливающихся сталей без подогрева и с применением импульсной подачи электродной проволоки. Сегодня практически невозможно выполнить такой комплекс работ на традиционном оборудовании. И наконец, стоит отметить, что цикличность работы ММСТ позволяет резко снизить объем работ по зачистке конструкций после сварки, это весьма важно при выполнении протяженных швов, например в судостроении.
Литература
1. Лебедев В. А., Мошкин В. Ф., Пичак В. Г. Новые механизмы подачи электродной проволоки // Автомат. сварка. 1996. № 5. С. 39-44.
2. Мозок В. М. Совершенствование технологии сварки и наплавки плавящимся электродом с применением механического модулятора сварочного тока // Автомат. сварка. 1996. № 2. С. 57-58.
3. Патон Б. Е., Шейко П. П. Управление переносом электродного металла при дуговой сварке плавящимся электродом // Автомат. сварка. 1965. № 5. С. 1-7.
4. Лебедев В. А., Мошкин В. Ф., Пичак В. Г. Новые механизмы для импульсной подачи электродной проволоки // Автомат. сварка. 1996. № 5. С. 39-44.
Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное объединение им. Ю. А. Гагарина», Тихоокеанский государственный университет, Институт материаловедения ХНЦ ДВО РАН, Институт химии ДВО РАН
приглашают
на международную научно-техническую конференцию, посвященную памяти выдающегося российского ученого, академика, д-ра техн. наук,
профессора Бориса Романовича Лазаренко
«ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА МЕХАНИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ» 28—30 октября, г. Комсомольск-на-Амуре
На конференции предполагается работа секций по следующим направлениям:
— взаимодействие материалов с концентрированными потоками энергии,
— наноматериалы и нанотехнологии,
— теория и практика электронной обработки материалов,
— математическое моделирование и САПР в технологических процессах,
— механическая обработка материалов.
Предусматриваются секционные и стендовые доклады. К началу работы конференции планируется публикация материалов конференции. Материалы предоставлять до 10 октября. Оргвзнос 500 руб.
Секретариат конференции: Мокрицкий Борис Яковлевич (канд. техн. наук, ст. научн. сотр.), Сарилов Михаил Юрьевич (д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой), тел.: (4217) 53-14-74, 2720-54, [email protected]. Руководитель редколлегии Каныгина Нина Александровна, тел.: (4217) 54-09-09, 53-23-04,54-49-44, факс: (4217) 53-61-50, [email protected], [email protected]. Сайт: www.knastu.ru
