CC BY
16
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1999г. Вып. №8
УДК 621.791.927.5
Корниенко А Н.1, Карпенко В.М.!, Макаренко Н А.3
ПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА И ФОРМИРОВАНИЕ ВАЛИКА ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКЕ С АКСИАЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ
Исследованы особенности воздействия дуг на процессы нагрева основного металла и формирования наплавляемого валика при плазменной наплавке с аксиальной подачей плавящейся электродной проволоки. С помощью скоростной киносъемки и измерениями на макрошлифах установлено, что плазменная полоцилиндрическая дуга (обратной полярности) обеспечивает кроме очистки катодным распылением, нагрев наплавляемого участка изделия и хвостовой части ванны. Это воздействие способствует увеличению ширины валика без увеличения глубины проплавления. Замечено, что с увеличением силы тока плазменной дуги размер капель с плавящегося электрода уменьшается.
Наиболее эффективным процессом наплавки порошковой проволокой является наплавка плазменной дутой с аксиальной подачей электродной проволоки, подключенной к отдельному источнику питания [1, 2]. Максимальные преимущества этого способа могут быть достигнуты при подаче порошковой проволоки с увеличенным вылетом за счет токоподвода, расположенного в верхней части плазмотрона [3, 4]. При этом порошковая проволока дополнительно нагревается теплом проходящего по ней тока и теплом окружающей ее плазменной дуги.
С целью определения возможности управления шириной наплавленного валика, глубиной проплавления и зоны термического влияния при плазменной наплавке с аксиальной подачей проволоки (ПНАПП) были проведены эксперименты в диапазоне изменения тока плазменной дуги обратной полярности от 80 до 250 А с интервалом' 30 40 А и тока дуги плавящегося электрода - при обратной полярности от 100 до 200 А. Постоянными сохранялись параметры плазмообразующего сопла (диаметр - 8 мм, длина 7 мм), расход плазмообразующего газа (аргон - 8,5 л/мин), расход защитного газа (аргон и углекислый газ) - 14 л/мин. Расстояние от кольцевого электрода плазмотрона и расстояние от токоподвода к электродной проволоке до поверхности образцов составляли 10 мм и 120 мм соответственно. Скорость перемещения плазмотрона (наплавки) - 20 м/ч.
Для изготовления порошковой проволоки применяли лепту марки 08 кп сечением 0,6x12 мм. Проволоки диаметром 2,0 - 3,0 мм трубчатого сечения имели коэффициент заполнения около 30 %. Состав шихты содержал легирующие элементы в соответствии с авторским свидетельством [5]. Наплавку производили на пластины из стали 10ГН2МФА и из чугуна СЧ, что соответствует материалам, из которых изготавливают пресс-формы для прессования изоляторов из стекла.
Процесс плавления электрода исследовали с помощью скоростной киносъемки с последующей покадровой расшифровкой. Киносъемка выполнялась камерой СКС-1М на негативней пленке КН-4, длительность съемки до 3 с. Для сравнения был а проведены 4 эксперимента без плазменной дуги. Всего было проведено 18 киносъемок.
На состав и структуру наплавленного слоя, кроме состава порошковой проволоки влияют несколько факторов. Первый фактор - диапазон скоростей охлаждения от 20 до 60 град/с. Условия охлаждения при наплавке могут изменяться в широких пределах и зависят, в основном, от скорости наплавки и мощности обеих дуг. Второй фактор, непосредственно
1 ИЭС им. ГТатона, канд.техн.наук, ст.науч.сотр.
2 ДГМА, канд.техн. наук, доц.
3 ДГМА, ассистент.
влияющий на химический состав наплавленного слоя и его структуру, - это доля участия металла детали в наплавленном слое.
Наплавку выполняли на образцах размером 300 х 130 х 30 мм при оптимальных режимах. По шлифам определяли параметры зоны термического влияния и размеры наплавляемых валиков.
Была проведена серия экспериментов по изучению плазменной дуги, горящей с кольцевого электрода. Особый интерес представляет определение момента образования сплошной цилиндрической дуги. Широкий столб дуги диаметром соответствующим диаметру канала плазмотрона (8 мм), наблюдался при токах выше 120... 150 А. При токах ниже этого значения столб дуги резко сужается, его границы приобретают размытые оче ртания. Очевидно, что активные пятна такой дуги занимают только часть кольцевой поверхности канала. Скоростная киносъемка по описанной выше методике проводилась при обесточенной электродной проволоке, конец которой выступал за срез сопла и служил ориентиром, показывающим ось плазмотрона. На кинограмме отчетливо заметно, что столб плазменной дуги располагается только с одной стороны от конца плавящегося электрода, т.е. не охватывает все пространство, окружающее аксиально располагающийся плавящийся электрод.
Таким образом, допускается существование обоих видов разрядов: единичного кольцевого или при недостаточной плотности тока - расщепленного, имеющего форму отдельных столбов, с активными пятнами на общем кольцевом электроде, При плазменной наплавке с аксиальной подачей электродной проволоки в нормальном технологическом режиме горят не менее двух дуг, поскольку они питаются от двух источников (рис:. 1, 2). Выполненная с целью исследования процесса плавления электродной проволоки скоростная киносъемка не позволила с
Рис. 1 - Схема направления удельных тепловых Рис. 2 - Схема формирования валика: 1- плавя-потоков в наплавляемый образец: 1 - плавящийся щийся электрод; 2 - кольцевой электрод плазмо-электрод; 2 - кольцевой электрод плазмотрона; трона; 3 - плазменная дуга; 4 - дуга плавящегося 3 - образец; с]п - поток от плазменной дуги; электрода; 5-образец; 6-ванна; 7-валик Чд - поток от дуги плавящегося электрода; qз - нагрев электрода проходящим током; q, - поток от приэлектродного участка дуги плавящегося электрода.
уверенностью судить о форме плазменной дуги, так как яркость источника подсветки и светимость дуги плавящегося электрода превышали величину светимости плазменной дуги. На основании наблюдений за плавлением электродной проволоки бы ло принято допущение, что плазменная дуга при токах более 100 А нагревает проволоку равномерно и, следовательно, имеет поло цилиндрическую форму.
Визуально наблюдения и просмотр кинограмм позволили выявить особенности поведения металла ванны и формирования валиков под действием полоцилиндрической плазменной дуги и процессов, сопровождающих плавление металла осевой дутой. Основным физическим отличием является то, что зона наплавки дважды пересекается плазменной полоцилиндрической дугой. Передний фронт плазменной дуги предварительно подогревает наплавляемый участок, производя одновременно очистку поверхности за счет катодного распыления. При режи-
1
мах до 180.. 190 А расплавления поверхности не наблюдается. Далее при перемещении плазмотрона на подготовленный таким образом участок наплавки: оказывает воздействие дута, горящая с плавящегося электрода. Тепла этой дуги достаточно для: локального расплавления тонкого слоя на поверхности образцов, куда и попадают капли электродного металла.
Второй особенностью является то, что формирование наплавленного валика происходит не только под действием обычных сил (поверхностного натяжения, тяжести, магнитогид-родинамических и др.), но и дополнительного плазменногазового напора (рис. 2). Кроме давления, этот напор дополнительно подогревает застывающую ванну. В результате ширина наплав-ленноголвалика увеличивается. При постоянных параметрах режима, горения дуги с плавящегося электрода ширина валика тем больше, чем больше ток плазме] гной дуги, при этом высота валика (максимальная) уменьшается.
Параметры наплавленного валика определяли по макрошлифам при увеличении в 6 раз (луна) и 100 раз (микроскоп).
Металлографические исследования показали, что при ПН АНН глубина проплавлешй основного металла не превышает 0,3 мм во всем диапазоне выбранных режимов.
Исследовались размеры зоны термического влияния, процессы плавления и обработки (нагрева и проплавления) поверхности плазменной дуги. Плавящийся электрод находился в канале сопла, но был обесточен. Было установлено, чго при токах менее 75...80 А дуга оставляет неравномерный след очищенный катодным распылением поверхности, и ширина зоны термического влияния колеблется от 5 до 10 мм. Вероятно, анодное пятно дуги при малых плотностях тока не охватывает всю поверхность кольцевого электрода. О начале устойчивого процесса горения можно судить как визуально, так и по стабильной ширине зоны катодного распыления, зоны термического влияния и глубины ЗТВ. Измерения этих величин на макрошлифах вывели почти прямолинейную зависимость от тока плазменной дуги
При максимальных значениях тока (200 А) глубина зоны термического влияния не превышает 0,5 мм. Ширина его незначительно (на 1... 2 мм) превышает диаметр канала сопла.
С целью определения влияния плазменной дуги на ущрактер плавления порошковой проволоки скоростная киносъемка выполнялась при неизменном токе дуги плавящегося электрода и при изменении тока плазменной дуги (75, 100, 150, 200 А). Параметры режима горения дуги между плавящимся электродом и изделием были выбраны из условия мелкокалельного, но не струйного переноса. Критерием служил диаметр отрывающейся капли, который не должен был превышать диаметр электрода на 10... 15 % при процессе, проводимом без плазменной дуги.
На кинограммах заметно уменьшение размера капель с возрастанием тока плазменной дуги со 100 до 200 А на 0,3. .0,5 мм. Наиболее характерным показателем влияния внешней по-лоцилиндрической дуги служит изменение формы конуса, формирующегося на торце электродной проволоки. Конус удлиняется с 2...3 мм при токе плазменной дуги 100 А до 4...5 мм при токе 200 А. Известно, что при прочих равных факторах (масса капли, давление дуги, сила Пинч-эффекта и другие) характер переноса определяется силой поверхностного натяжения, почти линейно уменьшается с увеличением температуры, то удлинение конуса подтверждает другие данные о заметном влиянии плазменной дуги на процесс расплавления электродной проволоки.
Дополнительный нагрев порошковой проволоки при ПН АНН по сравнению с процессом наплавки порошковой проволокой свободно горящей дугой приводит к повышению скорости плавления электрода. Увеличение скорости подачи соответственно увеличивает производительность наплавки. Сравнительных исследований этих показателей не проводилось, однако, следует отметить, что при токах плазменной дуги 150 А и дуги с плавящимся электродом - 200 А производительность плавления составляет около 5 кг/ч.
Одной из основных задач разработки технологии наплавки является увеличение ширины наплавленного за один проход валика и уменьшение его выпуклости. Во многих с:тучаях эта задача решается применением поперечных колебаний электрода-дуги. Однако, такой прием имеет ряд недостатков (сложная сварочная головка, наплывы и неровности поверхности и т.д.). Исследования процесса ПН АНН показали, что плазменная полоцилинлдрическая дуга оказывает заметное влияние на формирование поверхности валика. Замеры на макрошлифах показали, что чем больше ток плазменной дуги, тем больше угол смачивания у края валика. В то же вре-
мя с ростом тока валик становится менее выпуклым и более широким. Очевидно, что причиной этих положительных изменений является как предварительное воздействие плазменной дуги на наплавленную поверхность, так и последующее воздействие плазменно-газового потока на жидкий металл ванны. Эта особенность процесса Г1НАГШ дает заметный эффект выравнивания поверхности наплавки при наложении соседних валиков.
При низкой величине коэффициента расплавления основного металла ПНАГШ может конкурировать с другими прогрессивными технологиями, и может быть использовано при изготовлении и ремонте изделий с небольгшим слоем наплавленного металла, взамен наплавки пульсирующей дугой [6].
Выводы
1 .При ПН AI ill зона наплавки дважды пересекается иол оци линдрической дугой, причем передний фронт плазменной дуги предварительно подогревает наплавляемый участок, а иа хвостовую часть ванны оказывает воздействие плазменно-газовый напор.
1 Ширина наплавляемого валика увеличивается с повышением тока плазменной дуги, при этом высота валика и выпуклости уменьшаются, а поверхность выравнивается.
3.Плазменная дуга незначительно влияет на характер плавления порошковой проволоки: с возрастанием тока плазменной дуги на 100 А размер капель (максимальный диаметр поперечного сечения) уменьшается в среднем на 0,2 мм.
Перечень ссылок
1.A. с. 1569133 СССР, МКИ В23К 35/30. Способ плазменно-дуговой наплавки / Дуд ко Д.А., Карпенко В.М., Грановский A.B. - Опубл. 7.06.90. Бюл. М> 21.
2.A.C. 1574414 СССР, МКИ В23К 35/02. Электрод для плазменной обработки / Карпенко, В.М., Корниенко А.Н, Грановский A.B., Макаренко H.A. - Опубл. 30.06.90. Бюл. № 24.
3. Стеклов О.И., Алексеев О.В., Александров O.A. и др. Высокопроизводительный процесс наплавки плазменной дугой с использованием подогретой присадочной проволоки // Сварочное производство. - 1988. - № 8. - С.5 - 7.
4. Карпенко В.М., Грановский A.B., Макаренко Н А. Восстановление коленчатых валов насосов высокого давления плазменной наплавкой // Сварочное производство. - 1990. - №4. - С. 27
5. A.c. 1518105 СССР, МКИ В23К 35/368. Шихта для наплавки / Катренко В.Т. Макаренко НА., Грановский A.B., Дубинин A.B. - Опубл. 30.10.89. Бюл. № 40.
6. Тищенко В.А., Кондратьев H.A. Наплавка штампового инструмента пульсирующей дугой П Автоматическая сварка. - 1995. - №8. - С. 59 - 60.
Корниенко Александр Николаевич. Кандидат технических наук, ст.науч. сотрудник, зав лаб. ИЭС им. Патона. Окончил Киевский политехнический институт в 1963 году по специальности оборудование и техника сварочного производства. Основное научное направление - «Плазмен-но-дуговая сварка»
Карпенко Владимир Михайлович. Кандидат технических наук, доц., зав. кафедрой: сварочного производства, ДГМА. Окончил Харьковский госуниверситет в 1958 г. по спец. «Физика». Основное научное направление-«Наплавка порошковыми проволоками»
Макаренко Наталья Алексеевна. Ассистент кафедры сварочного производства ДГМА. Окончила Краматорский индустриальный институт в 1983 г. по специальности «Оборудование и технология сварочного пр-ва», Основное научное направление-«Плазменно-дуговая сварка»
