CC BY
13
УДК 621.791.92
Л .К. Лешинский
ПЕРСПЕКТИВЫ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И С ЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ (ВОССТАНОВЛЕНИИ) ИЗДЕЛИЙ НАПЛАВКОЙ ПОД ФЛЮСОМ
При выборе оптимального варианта технологии изготовления (восстановления) деталей машин и аппаратов, сменного инструмента с использованием процесса наплавки одним из определяющих факторов является снижение расхода энергетических и сырьевых ресурсов. Принято считать, что при сварке (наплавке) под флюсом наиболее эффективным должен быть процесс, близкий к чисто дуговому, либо - к чисто электрошлакоЕому, однако, новые закономерности и, следовательно, новые технологические возможности нашими исследованиями выявлены в пограничной области. Такой процесс, протекающий в смешанном или перемежающемся режиме; характерен для наплавки ленточными электродами под флюсом [1,2].
Рис.1. Сравнительные технологические характеристики процесса наплавки под флюсом в дуговом и смешанном режимах.
Переход от режима, близкого к чисто дуговому ( наплавка электродной проволокой), к смешанному (наплавка ленточным электродом) при одинаковых значениях погонной энергии и равной площади сечения электродов позволяет (рис. !) не только более эффективно использовать выделяющуюся в реакционной зоне теплоту для повышения производительности процесса, но и уменьшить число наплавляемых слоев для достижения требуемого состава1. Бсвве того, для процесса наплавки одной и двумя лентами, протекающего в широком диапазоне режимов, имеющих перемежающийся характер, установлена новая закономерность - уменьшение доли участия основного металла в наплавленном при увеличении тепловой мощности источника (величины тока) [1].
Предположение о возможности резкого повышения производительности процесса наплавки двумя параллелными лентами при переходе в электрошлаковый режим [3] не нашло экспериментального подтверждения. Затраты теплоты на плавление флюса и его перегрев в зазоре между лентами используются наиболее эффективно, а массовая скорость расплавления лент максимальна, когда режим носит характер смешанного
Расчет количества слоев выполнен с использованием зависимости, полученной ААЕрохиным.
(перемежающего). Это хорошо согласуется с данными, полученными авторами способа наплавки двумя лентами под флюсом еще на стадии его разработки [4].
Энергетические характеристики процесса наплавки ленточным
электродом под флюсом в смешанном режиме определяются не только наличием двух токопроводящих сред - дуги и расплавленного шлака, но и условиями горения дуги на торце электрода плоской (прямоугольной) формы. Для такой дуги, когда перемещающееся активное пятно находится в стесненных условиях и занимает лишь некоторую часть торца, локальная плотность тока в анодном
пятне достигает 5 • 10^ Л! М~. При малых значениях тока либо при его постоянных значениях и увеличении ширины ленты дуга "задерживается" на краях торца. С ростом тока время пребывания дуги на краях уменьшается , а в центральной части торца - растет, что связано с влиянием магнитного поля сварочного контура. Градиент потенциала столба ниже, чем при сварке проволокой и зависит от состава флюса.
Образование и перенос капель происходит одновременно по всей
ширине торца, снижаются их размеры и масса, растет частота переходов. Условия теплопередачи в каплях не изменяются, но снижаются потери тепла дуги на их перегрев, а также улучшаются условия его передачи твердому металлу. По расчетным данным термический к.п.д. процесса каплеобразования возрастает в 1,4 - 1,6 раза, что подтверждено известными техническими решениями, позволяющими снизить расход энергии на расплавление электрода.
Рис.2. Доля тока шунтирования дуги шлаком при наплавке одним и двумя параллельными ленточными электродами Св - 08кп.
Проведенные с использованием различных методик исследования показали, что для флюсов, вязкость и электропроводность которых изменяются в достаточно широком диапазоне (АН - 348А, АН - 60, ОФ - 10, АН - 90, ЖСН • 1, ЖСН - 5 и др.), смешанный по характеру процесс может быть описан , как дуговой со значительной долей шлакового [1, 2, 4 и др.]. Величина шлаковой
составляющей зависит от геометрии электрода (проволока, лента, составной электрод, две параллельные ленты и т.п.), электропроводности шлака и параметров режима (рис. 2).
При столь высоких значениях доли шлакового процесса значительна его роль в нагреве и расплавлении ленточных электродов. Условия теплообмена лента-шлак на "мокром" вылете описывает аналитическая зависимость, полученная автором настоящей статьи А :
Рис.3. Эффективность использования теплоты, аккумулированной шлаком, для нагрева и расплавления ленточных электродов.
Эффективность использования погонных затрат энергии на плавление флюса для нагрева и расплавления ленточных электродов удалось оценить, обработав и проанализировав многочисленные экспериментальные данные (рис.3). Наиболее эффективно затраты энергии используются в случае применения двух параллельных лент при более высокой токовой нагрузке (скорости подачи) второй по направлению вектора скорости наплавки ленты. Это позволяет не только снизить энергозатраты, но и повысить качество наплавленного слоя [1].
Рис.4. Влияние конструкции ленточных электродов и затрат тепла на плавление флюса на величину коэффициента расплавления.
Регулируя поступление в ванну нерасплавленного флюса, снижающего температуру шлаковой ванны, и тем самым концентрируя или рассредоточивая выделение в ней тепла, оказалось возможным снизить затраты тепла на плавление флюса, а также повысить эффективность нагрева ленты на "мокром" вылете. Эта возможности реализованы в различных конструкциях ленточных электродов (плоских, ггрофилированных, составных, параллелных), которые можно расположить в ряд по мере возрастания коэффициента расплавления без дополнительных энергозатрат (рис.4).
Как и при производстве сварных конструкций, где экономия энергетических и сырьевых ресурсов в первую очередь зависит от возможности уменьшения длины и сечения сварных швов, для наплавленных изделий такая экономия зависит от возможности снижения массы наплавленного металла, сохраняя необходимую работоспособность изделия. Для решения этой задачи целесообразно, использовать конструктивно-материаловедческий подход к проектированию геометрии и свойств наплавленного слоя. Если долговечность изделия зависит от трещиностойкости наплавленного слоя, уменьшение его толщины возможно при наплавке ленточными электродами многослойных композиций с резко выраженной слоистостью, обеспечивающей высокую контрасность состава и свойств на границах слоев. Благодаря этому обеспечивается торможение усталостных (термоусталостных) трещин на границах. Другой путь решения проблемы - однослойная наплавка двумя ленточными электродами различного химического состава с использованием технологии, позволяющей формировать слой с разнородной макроструктурой, например, с пластичными прослойками в прочной матрице [7]. Торможение трещин в таком квазикомпозите на границе матрицы с включениями происходит по механизму образования микрорасслоений. Без дополнительных сырьевых и энергетических затрат удается повысить ударную вязкость и кратковременную динамическую трегдиностойкость композиции при сохранении высокой прочности и пластичности.
Если условия эксплуатации изделия допускают несплошность наплавленной поверхности, уменьшения массы наплавленного металла (при одновременном снижении уровня требований к его свойствам и к необходимости легирования такими элементами как никель, молибден, ванадий) можно достичь при формировании слоя с разрывами сплошности [8].
В этом случае остановка термоусталостной трещины происходит в месте выхода на разрыв сплошности. Так как на противоположной границе барьера отсутствуют условия для зарождения новой трещины, разрушение останавливается. Наплавленная поверхность формируется из валиков без перекрытия, что позволяет останавливать трещину, когда ее длина не превышает критической • Для этого ширина валика
где р - угол наклона валика к оси вращения изделия.
Критическая длина трещины определяется из преобразованного основного уравнения линейной механики разрушения
где
К,
- вязкость разрушения материала наплавляемого изделия в
условиях отрыва при плоской деформации;
А - эмпирический коэффициент, зависящий от геометрических характеристик изделия и уровня номинальных напряжений в нем.
bиблиографичсский список
1. Л?щинский JIM., Л окрик В.П., Касаткин O.P. Влияние технологических факторов на качество антикоррозионного слоя, наплавленного двумя электродными лентамп// Автоматическая сварка. - 1986. - № 8. ■ С. 49-53.
2. Особенности процесса наплавки двумя гщектродными лентами под флюсом/ Ланрик В.ii.. Латинский Л.К, Носовский Б.И., Матвиенко BJI.Ü Автоматическая сварка. -1990. - № f). - С. 50-54.
Я. Разработка процесса и исследование некоторых технологических особенностей электрошлаковой наплавки лентами/ Фру мин И.И., Каленский В.К., Панчихиип ¡O.A. и ор.Н Теоретические и технологические основы наплавки. Новые процессы механизированной наплавки/ Под ред. И.И.Фрумина.- Киев: ИЭС им. Е.О.Патона ЛИ УССР, ¡477,- С. 83-89.
4. Патент 3)3026 (Австрия). Способ дуговой сварки плавлением.
5. Электрошлаковая сварка и наплавка/ Под ред, Б.Е.Питона.- VI.: Машиностроение, 1980.- 511 с.
6. Лещинскии Л. К., Матвиенко В.Н., Гулаков C.B. Форма сварочной ванны при наплавке составными ленточными злектродамиУ/Автоматическая сварка,- 1991,- Ха П.. С. 44-46.
7. Дуговая наплавка прокатных валков слоями с макроразнородной структурой / Л.К.Лещинский, В.П.Лтрик. С.С. Салюту яш. К. К. Степное// Автоматическая сварка.- 1989. - .Ni! 12,- С.49-53.
8. Домбровский Ф.С., Лещинскш/ JIM. Работоспособность наплавленных роликов машин непрерывного литья заготовок,- Киев: Институт электросварки им. г. О.Патона, S 995. - ¡95 с.
